Наука, научные революции, научные картины мира

Наука проявляется трояким образом:

-в качестве теории, являющейся собранием фактов, закономерностей и способной предсказывать явления. Следует иметь в виду, что само по себе накопление фактов не дает выхода на теоретические построения, для этого нужны выделение закономерностей, построение гипотез;

-как свод теорий, описывающих мироустройство, идеальная модель в качестве ядра научной картины мира;

-как имперсональная (надличностная) система способов логического построения и доказательства научных положений.

Наука – это факты, закономерности законы, концепции, теории и гипотезы, научные методы и эксперименты, подтверждающие или опровергающие гипотезы.

Факты науки

Научные факты отличаются от фактов и явлений обыденной жизни человека тем, что они привязаны к определенной системе координат: к той или иной науке, к тем или иным измерительным процедурам, описываются теми или иными терминами, фиксируются теми или иными приборами и получают то или иное значение. Они имеют смысл только в подобном контексте.

По мере накопления фактов, мы уходим все дальше от непосредственных ощущений, и наши факты начинают все больше зависеть от выбора теории, в раках которой они рассматриваются. Тем не менее, мы должны располагать большим количеством факто, полученных более или менее непосредственно из эксперимента, чтобы их можно было считать надежными. Факты должны быть одинаковыми независимо от того, когда, в каких лабораториях и каким наблюдателями они были получены. Можете ли вы повторить ваши результаты – вот один из первых вопросов, которые обычно задают молодому ученому.

Язык науки

Все отрасли знания имеют собственные языки для выражения сути гипотез, законов, теорий. Осмысленное усвоение этих языков и есть путь продвижения в науке. К числу универсальных языков науки относится математика.

Важное свойство математических выражений – соединение воедино нескольких соотношений в предельно краткой форме.

Равноускоренное движение определяется так: пройденное расстояние равно сумме произведений начальной скорости на время и половине ускорения на квадрат времени. Алгебраическое выражение значительно короче, если, конечно, мы понимаем суть физического процесса. Математика в таких случаях напоминает автомат, в котором вместо колес и поршней работают правила логики. Следует лишь помнить, что, как и положено настоящему автомату, математика не выдаст нам того, чего не было заложено вначале.

Однако есть много примеров, когда машина может выдать совершенно неожиданные утверждения и заставляет нас проверять их на опыте. Например, математическое исследование по волновой теории света говорит, что, когда диск монеты отбрасывает в пучке света тень, в середине тени будет маленькое яркое пятнышко света, как если бы в монете была дырочка.

Если мы попытаемся обойтись без математики, то потеряем нечто большее, нежели ясный язык, возможности стенографической записи рассуждений и мощное оружие переработки информации. Мы можем лишиться части научного воображения на более высоком уровне. Представим, пишет Э.Роджерс, что мы ущипнули конец натянутой веревки и создали на ней нечто, напоминающее горб. Воспользовавшись вторым законом Ньютона, мы можем закодировать поведение горба в сложной математической форме. И совершенно неожиданно здесь ясно проступит математическое клеймо волнового движения. Существует уравнение, которое связывает распространение в пространстве со скоростью изменений во времени. Математика предсказывает, что эта волна будет распространяться, и говорит, как, зная натяжение и массу веревки, вычислить скорость волны.

Максвелл с помощью математики свел воедино экспериментальные законы электромагнетизма и записал их в простой форме. Прежде всего, он избавился от деталей формы и размеров аппаратуры, как мы избавляемся от формы и размеров образца, вычисляя плотность металла по весу и размерам. Удалив таким образом «ограниченные условия», Максвелл получил законы электричества, свойственные любой системе при любых обстоятельствах, как плотность свойственна любым образцам данного металла. Дифференциальное исчисление придало его законам окончательную форму, называемую дифференциальными уравнениями.

Одним из величайших вкладов математики в физику явилась теория относительности, которую можно считать разделом и физики и математики.

Законы

Полученные факты подвергаются анализу путем группировки по наиболее общим свойствам: будь то свойство металлов проводить электрический ток, расширяться при нагревании, ковки; или свойства жидкостей, газов, электромагнитных полей, экономических или исторических процессов. Полученные соотношения называют правилом, принципом или законом.

Закон – это отражение явлений природы. Говорят об идеальных законах, распространяя его на широкие области явлений. Большинство научных законов установлено на основе эксперимента индуктивным путем, как, например, закон Гука, суть которого он изложил так: какое удлинение, такова и сила. Гук открыл, что при растяжении пружины возрастающей силой удлинение изменяется прямо пропорционально этой силе. С поведением материалов по закону Гука мы встречаемся во многих случаях растяжения, сжатия, скручивания, изгиба, упругой деформации любых видов.

Некоторые законы были введены методом дедукции из тех или иных теоретических схем: в химии закон кратных отношений развит на основе атомистической теории, закон равномерного распределения энергии между частицами выведен из статистической механики (и оказался частично неприемлемым). Иногда утверждению присваивается другое название – принцип, или правило, или соотношение. Например: принцип сохранения энергии, квантовые правила отбора. Существует тенденция использовать термин «закон» для крупных экспериментальных открытий; «принцип» - для обобщенных мнений, которые вводятся в теорию, а «правило» - для более земных, рабочих утверждений.

Следует иметь в виду, что научные законы не командуют природой, их нельзя использовать для объяснения того, что подсказало нам мысль о их существовании. Законы сами возникают из экспериментов. Закон суммирует данные экспериментов. Однако в законах много искусственного. Природа, сведенная в систему законов, есть отражение наших представлений о природе. Законы содержат допущения. Даже при выводе законов Гука мы считали, что для нахождения полной нагрузки можно складывать веса грузов, которыми мы нагружаем пружину. Мы неизбежно упрощаем.

Вывод законов есть одна из форм научной деятельности в науке, но есть еще мышление, обогащенное фантазией, а над всем этим искусство связывать законы воедино, которое вдохновляется надеждой найти общее объяснение. Наука развивается, когда удается связать законы между собой.

Так, связывая закон Гука со вторым законом движения Ньютона, можно сделать удивительные и полезные предсказания относительно «подпрыгивания» груза, подвешенного к пружине, вибраций камертона, движения маятника в часах и даже некоторых колебаний атомов в молекулах. Эти и многие другие движения оказываются связанными между собой общей характеристикой. Если не обращать внимания на связь законов между собой, то можно не заметить общих свойств, и некоторые виды движения никогда не будут использованы или поняты до конца.

Концепции

В обычном смысле слова концепция – это идея или же общее понятие. Выделяют второстепенные и главные концепции.

К второстепенным концепциям относят:

-математические концепции – полезные понятия; например, понятие о прямой пропорциональности (растяжение – груз), понятие о пределе (деление в данной точке, скорость как предел);

-концепции наименований – понятия, полезные при классификации и обсуждении, когда мы даем, например наименования группе материалов (металлы) или общему свойству (упругость);

-концепция определений – понятия, которые мы придумываем и определяем для употребления в лаборатории. Они могут быть даны на основании простых измерений (давление – из измерений силы и площади; как результирующая нескольких сил). Или же они могут описывать некоторое состояние (постоянство температуры, равенство нескольких сил).

К главным концепциям относят:

-научные концепции – это полезные понятия, получаемые из эксперимента: векторы складываются геометрически; теплота – причина повышения температуры тела; молекула как основная частица;

-схемы понятий – научные идеи более общего характера, вокруг которых концентрируется научная мысль: теплота как форма молекулярного движения; теплота как форма энергии; система Коперника; законы движения Ньютона; представление об атмосфере как об океане воздуха, окружающем Землю;

-великие схемы понятий: система движений планет по представлению древних греков; теория всемирного тяготения Ньютона; сохранение энергии; сохранение количества движения; кинетическая теория газов.

Умозрительные идеи

Большинство научных концепций рождается из эксперимента или до некоторой степени связано с экспериментом. Другие области научного мышления – чисто умозрительные. Однако они могут оказаться полезными и остаются в силе до тех пор, пока мы помним об их статусе. Мы можем их назвать умозрительными идеями. Представление о хрустальных сферах было чисто умозрительным – предполагалось, что они невидимы, и их существование было недоказуемо. В самом деле, схема Птолемея не была разрушена, когда оказалось, что сквозь сферы проходит комета: были разрушены только сами сферы. Рассматривая какую-либо схему понятий, старайтесь вовремя отделить строго научные понятия от умозрительных идей, которые сопровождают их рождение.

Теории и гипотезы

Гипотезы – это отдельные предположения или догадки, к которым прибегают при построении теории или при постановке эксперимента, имеющего целью непосредственную проверку какой-либо теории в том случае, когда это представляется возможным.

Теории – это мыслимые схемы с допущениями, которые подбираются так, чтобы получилось согласие с экспериментальными данными; они содержат умозрительные идеи и общий подход к решению проблем, и это позволяет отнести теории к главным концепциям.

Построение системы научных знаний

Сведения о природе тех или иных явлений мы получаем сначала путем индукции, извлекая общие законы из экспериментальных данных. Затем, считая наш закон верным, мы предполагаем, что природа будет вести себя согласно этому закону. Мы ожидаем, что природа единообразна. Знания, полученные методом индукции, достаточно надежны (законы движения планет, закон Гука), но этот метод не особенно плодотворен в отношении объяснений и предсказаний.

Дедуктивная теория дает нам в этом смысле значительно больше. Прибегая к ней, мы начинаем с допущений и законов, получая их либо на основе догадки, либо в результате эксперимента, либо по аналогии или путем умозрительных рассуждений, а затем даем объяснение и делаем новые предсказания.

Чтобы избежать ошибок древних мыслителей, которые слишком доверяли в этом плане дедукции, мы должны помнить и понимать, откуда берутся законы, на которых основана та или иная теория. Мы должны пользоваться предположениями, основанными на теории и прошедшими проверку. Слишком много предположений может увести от действительности к магии.

Хорошие теории

По мере того, как теория развивается, превращаясь из умозрительной догадки в некую общую форму знания, которая может объяснять уже значительно больший круг явлений, мы начинаем все больше доверять такой теории. Примером такого рода схемы понятий является теория всемирного тяготения Ньютона. Как известно, он начал с некоторых допущений: с рассмотрения сил и перемещений как векторов, со своих законов движения, с пропорциональности сил тяготения, массам притягивающихся тел, с закона обратных квадратов, с евклидовой геометрии. Некоторые из этих допущений были выведены из эксперимента. Другие мало чем отличались от определений, таков, например, первый закон, определяющий «нулевую силу», а также от рабочих правил (третий закон). Но каково бы ни было происхождение этих допущений, они являлись исходными точками дедуктивной теории. Затем шаг за шагом, путем рассуждений Ньютон извлек из этих допущений свое «объяснение» солнечной системы. Мы называем эту теорию хорошей, потому что она последовательна.

Начав с общих допущений, Ньютон связал в единую систему явления, которые, казалось, не имели никакой связи:

-движение Луны по круговой орбите;

-возмущение простого движения Луны;

-движение планет (первый, второй и третий законы Кеплера);

-возмущения движения планет;

-движение комет;

-приливы и отливы;

-форма Земли;

-различия в силе тяжести;

-процессия равноденствия

Все это связано законом обратных квадратов для силы тяжести и вращением Земли.

Научный метод

Ф.Бэкон предлагал следующий формальный метод исследования:

-производить наблюдения и регистрировать факты;

-производить большое количество экспериментов и сводить результаты в таблицы;

-извлекать правила и законы методом индукции.

Эти положения были развиты в тот научный метод, которого и сегодня придерживаются многие ученые:

-проводить наблюдения и извлекать из них правила и законы;

-формулировать гипотезу (догадку, которая может быть чисто умозрительной);

-выводит следствия из гипотезы и уже известных законов;

-производить эксперименты для проверки этих следствий.

Если эксперимент подтверждает гипотезу, следует ее принять как истинный закон и затем предлагать и проверять другие гипотезы.

Если же эксперимент отрицает гипотезу, следует искать другую гипотезу.

В действительности все выглядит сложнее и много путанее, однако, мы бессознательно придерживаемся указанной схемы. Мы не движемся прямо к поставленной цели, потому что эта цель – открытие, решение проблемы – может быть только результатом сложного исследовательского процесса. Мы идем от одной догадки к другой, то в одном направлении, то в ином. И только со временем мы накапливаем надежные промежуточные результаты нашей работы, которые становятся опорами для всей конструкции.

Э.Роджерс полагает, что хорошим примером, который иллюстрирует всю сложность исследовательского процесса, дает нам атомная и ядерная физика. Эту область исследований можно уподобить огромной комнате, в стенах которой имеется, скажем, семь закрытых дверей. Заглянув в одну, ученые увидят перед собой микроприроду явлений и ее загадочные проявления. В другую дверь они увидят что-то иное. И так далее. Затем они сравнивают различные картины. Например, радиоактивность дает одно представление о природе явлений, электронные пучки – другое; фотоэлектрический эффект ставит перед наблюдателями совершенно новые проблемы. Рентгеновские лучи опять дают новую картину: исследуя свойства этих лучей, удается обнаружить их связь с радиоактивностью, с фотоэлектрическим эффектом; кроме того, с их помощью оказывается возможным получить подтверждение произведенных ранее измерений атомных диаметров.

Наконец, с помощью проверок и сравнений различных точек зрения удается получить логичную схему, создать некую общую картину, описать микромир. Мы описываем микромир, пользуясь обычными словами: атомы имеют сферическую форму, электроны имеют малые размеры, рентгеновские лучи распространяются подобно видимому свету.

Такое описание не является истинным – чтобы мы ни понимали под словом «истинный» - это лишь модель, позволяющая описать то, что нам известно о микромире, обычными словами. Обнаружив новые факты, выходящие за пределы нашей модели, мы расширим саму модель. Когда, например, стало известно, что быстрые альфа-частицы могут свободно проходить через атомы, мы стали считать последние уже не непроницаемыми, как ранее, а полыми шарами.

По этим причинам наука кажется сначала трудной для понимания и изучения. Наше представление о строении атома в середине 20 века было, как сегодня представляется, лишь ненадежной моделью – невидимый атом описывался с помощью таких макроскопических понятий, как снаряды, бейсбольные шары, силы, действующие между магнитами, или же сила тяжести. В то время говорили, что он ведет себя, как если бы… С прогрессом техники, с появлением электронного микроскопа, ионного микроскопа стали думать, что наконец-то увидели реальные атомы. Однако такого рода наблюдение микромира, каким бы очевидным оно нам не казалось, все же не является непосредственным. Получаемые нами изображения следует интерпретировать в рамках тех моделей, которые определяют использование нами соответствующих приборов. Это касается и большого адронного коллайдера.

Ученые пользуются моделями почти во всех научных представлениях: атомы, молекулы, гравитация, магнитные поля, идеальные пружины. Моделями мы пользуемся для того, чтобы заменить ими первичные умозрительные идеи, когда наделяем исследуемые процессы еще неизвестной нам силой (боги в античной науке, демон Максвелла). Как только мы установили природу этих сил, формулируются теории для данного случая (теории ad hoc) и хорошие теории.

Иногда конкурирующие между собой теории приводят к различным следствиям, и чтобы решить, которая из них правильная, ставят так называемый решающий эксперимент.

Э.Роджерс приводит пример подобного рода. В начале 18 века существовали две точки зрения на природу света. Это была корпускулярная теория Ньютона и волновая теория Гука и Гюйгенса. Обе теории объясняли общие свойства поведения световых лучей, например, отражение и преломление, но вместе с тем исследование второго явления – преломления – могло служить решающей проверкой того, какая из двух теорий правильная.

Когда световые лучи падают под углом на поверхности воды, их наклон изменяется (направление луча приближается к направлению нормали к поверхности воды). Это изменение направления луча на границе двух сред называется преломлением. Оно было хорошо известно как свойство света на протяжении тысячелетий. Птолемей вывел приближенный закон для угла преломления, а голландский ученый Виллеброд Снеллиус (1591 – 1626) установил точный закон преломления за 50 лет до того, как Ньютон написал свою «Оптику». Хотя, существует мнение, что первенство здесь принадлежало Декарту. (см. Соломатин В.А. История науки. – М.: ПЕР СЭ, 2003. – 352с.). Обе теории – Ньютона и Гюйгенса – объясняли преломление света и обе предсказывали закон Снеллиуса.

Ньютон утверждал, что корпускулы света должны притягиваться водой по мере приближения к ее поверхности (подобно молекуле пара, возвращающейся в жидкость). Тогда их количество движения изменится следующим образом:

-вертикальная компонента количества движения возрастает под действием сил притяжения;

-горизонтальная компонента останется неизменной из соображений симметрии. В результате направление потока корпускул в воде приблизится к ее поверхности, т.е. будет наблюдаться преломление. Из геометрических соотношений вытекает закон Снеллиуса. При таком изменении количества движения корпускулы должны двигаться в воде быстрее, чем в воздухе.

Согласно волновой теории, гребни падающих световых волн должны задерживаться; попадая на поверхность воды, они должны поворачиваться и распространяться в воде по направлению, лежащему ближе к нормали. Отсюда следует, что световые волны должны распространяться в воде медленнее, чем в воздухе.

Сравнение скорости света в воде и воздухе могло бы стать решающим экспериментом при проверке правильности этих теорий. Такой решающий эксперимент был проведен Фуко лишь в 1850 году: было показано, что свет распространяется в воде медленнее, чем в воздухе. Таким образом, вопрос был решен не в пользу теории корпускул, но только не в пользу данной частной модели, т.е. корпускул, имеющих постоянную массу и движущихся в воде с возрастающей скоростью, количеством движения и энергией.

Возьмем вместо этого корпускулы, которые имеют одну и ту же энергию в воздухе и в воде, но масса которых изменяется при их попадании в воду. Тогда мы сможем сформулировать теорию, которая предскажет закон Снеллиуса, и согласно которой корпускулы будут двигаться в воде медленнее, чем в воздухе. В этом случае найти выход из положения будет легко, хотя результат получался правильный. Однако почти всякая теория может пережить свое осуждение решающим экспериментом, прибегнув к сложным усовершенствованиям или изменениям.

Например, опыт Ньютона со свободны падением монеты и пера в пустоте дает ответ, какая же из двух теорий падения правильна:

-все тела падают с одинаковым ускорением, если не принимать во внимание сопротивление воздуха;

-тела падают вниз со скоростью, пропорциональной их весу.

Однако вторую теорию можно привести в согласие с экспериментом, считая действие вакуумного насоса не полезным, а вредным: вакуум также действует с силой, направленной вниз и обратно пропорционально весу тела. В частности, при опыте с барометром получается нечто еще более фантастическое.

Отсюда следует, что только в немногих важных случаях решение представляется окончательным, например, при решении вопроса о том, в какой форме происходит перенос световой энергии – волнами или корпускулами (квантами). Фотоэлектрический эффект решительно свидетельствует в пользу квантов. При проверке специальной теории относительности в опытах со скоростью света решение также кажется однозначным. Однако даже в столь важных случаях решение вопроса определяется скорее относительным значением различных экспериментов, чем неопровержимой проверкой с помощью одного-единственного эксперимента.

Итак, проверкой качества теории служит не ее успех или неудача, а простота и экономичность по сравнению с все возрастающей сложностью. При создании теории ученый начинает с практических допущений и простых концепций, тесно связанных с экспериментом. Затем строятся концепции более общего характера, которые управляют более простыми концепциями. Наконец, создается вся картина природы изучаемого явления из нескольких общих концепций.

Создание такой теории, которая давала бы нам сильнейшее чувство удовлетворения и уверенности в наших знаниях – это настоящее искусство; это то, что мы называем познанием природы.

Научная картина мира – это устойчивый теоретический каркас разных наук, претендующий на универсальное объяснение мироустройства, включая вопросы происхождения вселенной и жизни. Одновременно картина мира должна быть понятна и проста для всеобщего восприятия.

Центральным компонентом картины мира является научная революция: фундаментальный пересмотр сложившихся представлений о мироустройстве, который тянет за собой, словно шлейф, наиболее радикальные достижения частных наук.

Отсюда следует, что научная картина мира формируется путем использования данных наиболее развитых наук, она используется при оценке соответствия научных теорий предельно общим вопросам мироустройства.

Наша точка зрения заключается в том, что научные картины мира и научные революции следует рассматривать не в отдельности, а в их взаимосвязи.

Рассмотрим наиболее важные вехи истории науки.