1.14. Гипотеза и теория

Традиционная модель строения научного знания выглядит примерно следующим образом. Познание начинается с установления путем наблюдения или экспериментов различных фактов. Если среди них обнаруживается некая регулярность, повторяемость, то можно в принципе утверждать, что найден эмпирический закон, первое эмпирическое обобщение. Как правило, рано или поздно обнаруживаются такие факты, которые не встраиваются в эту регулярность. Далее с помощью мышления ученого известная реальность перестраивается так, чтобы выпадающие из общего ряда факты вписались в новую единую схему и перестали противоречить данной эмпирической закономерности.

Новую схему необходимо сотворить умозрительно, представив ее первоначально в виде гипотезы. Если гипотеза удачна и снимает найденное между фактами противоречие, а еще лучше – позволяет предсказывать получение новых, нетривиальных фактов, подтверждающихся экспериментом, значит родилась новая теория, найден новый теоретический закон.

Таким образом, традиционная модель строения научного знания предполагает движение по цепочке: установление эмпирических фактов – первичное эмпирическое обобщение – обнаружение отклоняющихся от правила фактов – изобретение теоретической гипотезы с новой схемой объяснения – логический вывод (дедукция) из гипотезы всех наблюдаемых фактов, что является ее проверкой на истинность, - предсказание новых фактов, вытекающих из новой теории, - экспериментальное обнаружение этих фактов. Подтверждение гипотезы экспериментом превращает ее в теорию. Подобная модель научного знания называется гипотетико-дедуктивной. Считается, что большая часть современного естественно-научного знания получена таким способом.

Гипотеза – научное предположение, выдвигаемое для объяснения какого-либо факта или явления и требующее проверки и доказательства, чтобы стать научной теорией или законом. Гипотеза – предположительное знание, истинность которого еще не доказана, но которое выдвигается не произвольно, а при соблюдении ряда требований:

- основные положения гипотезы не должны противоречить известным и проверенным фактам;

- новая гипотеза должна соответствовать надежно установленным теориям (закон сохранения и превращения энергии, первое начало термодинамики и др.);

- гипотеза должна быть доступна экспериментальной проверке.

Б.Рассел считал, что « часто наиболее трудным этапом в поиске истины является формулировка правдоподобной гипотезы; когда гипотеза сформулирована, ее можно проверить, но для всего этого нужен человек, способный ее выдумать».

Теория – система истинного, уже доказанного, подтвержденного знания о сущности явлений, высшая форма научного знания, всесторонне раскрывающая структуру, функционирование и развитие изучаемого объекта, взаимоотношение всех его элементов, сторон и связей. Теория, как правило, описывает и объясняет обширную область явлений. Так, молекулярно-кинетическая теория газов описывает не только группу явлений, связанных с поведением идеального газа, но и другие явления из данной области (теплопроводность, внутреннее трение, диффузию и др.). Все эмпирические законы для данной области явлений могут быть выведены из соответствующей теории.

Главные элементы теории – принципы (исходные высказывания) и законы (следствия). Принципы – наиболее важные и общие фундаментальные положения теории. Принципы играют роль исходных, основных и первичных посылок, закладывающихся в сам фундамент теории. Так, в основе молекулярно-кинетической теории лежат следующие основные положения: все вещества состоят из мельчайших частиц – атомов, атомы находятся в состоянии непрерывного хаотического движения, интенсивность этого движения зависит от температуры.

Законы науки отражают в форме теоретических утверждений объективные связи изучаемых явлений. Категории науки – наиболее общие и важные понятия теории, характеризующие существенные свойства объекта теории, ее предметы (энергия, сила и др.). Принципы и законы выражаются через соотношение двух и более категорий.

Физическая теория, например, – это прежде всего теоретические законы, выраженные в форме математических уравнений и отображающие сущность определенной области физических явлений (уравнения Максвелла, уравнения Лагранжа и др.). Теоретические законы отличаются от эмпирических большей степенью общности, часто включают наряду с эмпирическими ряд теоретических понятий, более удаленных от непосредственного опыта, например, понятие электромагнитного поля, сформулированное Фарадеем и Максвеллом, непосредственно из опыта не следует.

Наиболее общими элементами физического знания служат основные идеи, принципы и гипотезы физики, относящиеся ко всему объекту физического познания. Принципы сохранения и превращения энергии, начала термодинамики, соотношение неопределенностей Гейзенберга и др. имеют силу для любых физических явлений. А.Эйнштейн писал [68]:

«Высшая задача физики состоит в открытии наиболее общих элементарных законов, из которых можно было бы логически вывести картину мира».

Теории оперируют не реальными объектами, а их идеализациями, идеальными моделями, которые абстрагируются от каких-то реальных, второстепенных сторон объектов и потому дают неполную картину действительного (идеальный газ, идеальная жидкость и др.). Идеальные объекты (модели), в отличие от реальных, характеризуются не бесконечным, а вполне определенным числом свойств. Так, материальные точки, с которыми имеет дело механика, обладают только массой и возможностью находиться в пространстве и времени. В теории задаются не только идеальные объекты, но и взаимоотношения между ними, которые описываются законами. Из первичных идеальных объектов в теории могут конструироваться производные объекты (например, система материальных точек).

Из исходных идеальных объектов строится некоторая теоретическая модель данного конкретного явления и предполагается, что эта модель в существенных своих сторонах, в определенных отношениях соответствует действительности. В итоге теория, которая описывает свойства идеальных объектов, взаимоотношения между ними, а также свойства конструкций, образованных из первичных идеальных объектов, способна описать все многообразие данных, с которыми исследователь сталкивается на эмпирическом уровне [58].

Научная теория – это система определенных абстракций, при помощи которых раскрывается субординация существенных и несущественных в определенном отношении свойств действительности. Можно сказать, что научная теория дает определенный срез действительности. Но ни одна система абстракций не может охватить всего богатства действительности. Следует всегда иметь в виду ограниченность моделей и соответственно опирающихся на них теорий.

Историк и философ науки П.Дюгем в своей книге «Цель и структура физической теории» описал физическую теорию как «абстрактную систему, предназначенную для суммирования и логической классификации определенной группы экспериментальных законов и не претендующую на их объяснение». По его мнению, теории носят приближенный, временный характер и «лишены ссылок на объективную реальность».

Теоретический уровень знания обычно расчленяется на две существенные части, представляемые фундаментальными теориями и теориями, которые описывают конкретную область реальности, базируясь на фундаментальных теориях. Так, на основе принципов механики, описывающей материальные точки и взаимоотношения между ними, строятся различные конкретные теории, описывающие те или иные области реальности. Для описания небесных тел строится небесная механика. При этом Солнце представляет собой центральное массивное тело, вокруг которого по законам механики и по закону всемирного тяготения движутся планеты. Эта модель Солнечной системы строится из материальных точек и рассчитывается, исходя из принципов механики. Таким же образом – на базе механики – строятся и другие конкретные теории, например, теория твердого тела.

Теория позволяет не только описать и объяснить уже известные явления, но и предсказать новые. Из уравнений Максвелла следовало, что в природе должны существовать и распространяться в пространстве электромагнитные волны, которые позже были экспериментально открыты Г. Герцем.

Выдающийся физик Л.И.Мандельштам писал, что всякая физическая теория состоит из двух дополняющих друг друга частей. Одна часть – это уравнения теории: уравнения Максвелла, уравнения Ньютона и т.д. Это просто математический аппарат. Но необходимую часть теории составляет его связь с физическими объектами. Без установления связей математической конструкции с физическим миром вещей теория «иллюзорна, пуста». С другой стороны, без математического аппарата вообще нет теории [33]: «Только совокупность двух указанных сторон дает физическую теорию». Г.Вейль был убежден, что математика отражает порядок, существующий в природе:

«В природе существует внутренне присущая ей скрытая гармония, отражающаяся в наших умах в виде простых математических законов. Именно этим объясняется, почему природные явления удается предсказывать с помощью комбинации наблюдений и математического анализа. Сверх всяких ожиданий убеждение (я бы лучше сказал, мечта!) в существовании гармонии в природе находит все новые и новые подтверждения в истории физики».

Теория – наиболее устойчивая форма научного знания. Но и теории подвержены количественным и качественным изменениям. По мере накопления новых фактов теории уточняются и дополняются. Об этом образно писал Л. де Бройль [6]:

«Когда физическая теория добивается получения связного математического представления об известных явлениях, она стремится к тому, чтобы предсказать новые явления. Иногда эти предсказания подтверждаются дальнейшими экспериментальными исследованиями и теория, выдержав, таким образом, испытание, укрепляется. Иногда – и можно сказать, что с течением времени это всегда в конце концов происходит, - либо эксперимент не подтверждает одного из предсказаний теории, либо вдруг в ходе эксперимента обнаруживается зачастую, независимо от воли исследователей, новый факт, который не согласуется с теорией. Тогда нужно доделать или переделать воздвигнутое ранее здание теории. Но, и это существенно, такая переделка, поскольку она всегда должна производиться с учетом всех накопленных ранее фактов, должна быть осуществлена так, чтобы включить тем или иным образом, и зачастую в качестве первого приближения, в новую теорию предыдущую теорию и всю совокупность уравнений, на которых она зиждется, хотя их истолкование может измениться. Таким образом, новая теория должна признать все точные предсказания старой теории, но, отличаясь от нее в некоторых пунктах, она должна строго предвидеть наблюдаемые факты, в том числе и те, которые старая теория не в состоянии предвидеть. Путем таких последовательных включений развивается теоретическая физика; не отрицая ни одного из своих предыдущих успехов, она охватывает все время изменяющимся и расширяющимся синтезом возрастающее число экспериментальных фактов».

Процесс познания мира бесконечен. Наши знания на каждой ступени развития науки обусловлены исторически достигнутым уровнем познания и не могут быть окончательными. С точки зрения философии наши знания об окружающем мире всегда относительны, т.е. нуждаются в дальнейшем развитии и проверке. Вместе с тем всякая научная теория содержит элементы абсолютного знания. Сколь бы хорошей не была теория, всегда через некоторое время обнаруживаются факты, не укладывающиеся в рамки этой теории. Ей на смену приходит новая, более широкая теория. М.Планк заметил [39]:

«Первый повод к пересмотру или изменению какой-нибудь физической теории почти всегда вызывается установлением одного или нескольких фактов, которые не укладываются в рамки прежней теории. Факт является той архимедовой точкой опоры, при помощи которой сдвигаются с места даже самые солидные теории. Поэтому для настоящего теоретика ничто не может быть интереснее, чем такой факт, который находится в прямом противоречии с общепринятой теорией: ведь здесь, собственно, начинается его работа».

Согласно сформулированному Н.Бором принципу соответствия, новая научная теория не отвергает полностью предшествующую, а включает в себя старую теорию как составную часть, устанавливая для нее ограниченную область применения. А.Эйнштейн писал [68]:

«Вера в существование внешнего мира, независимого от воспринимающего субъекта, есть основа всего естествознания. Но так как чувственное восприятие дает информацию об этом внешнем мире, или о физической реальности, только опосредованно, мы можем охватить последнюю только умозрительными средствами. Из этого следует, что наши представления о физической реальности никогда не могут быть окончательными. Мы всегда должны быть готовы изменить эти представления, то есть изменить аксиоматическую базу физики, чтобы обосновать факты восприятия логически наиболее совершенным образом. И, действительно, беглый взгляд на развитие физики показывает, что ее аксиоматическая основа с течением времени испытывает глубокие изменения».

Свои слова он иллюстрировал сравнением физики Ньютона, основанной на принципе дальнодействия, с физикой Фарадея – Максвелла, основанной на концепции электромагнитного поля.

Иногда изменения затрагивают фундаментальные принципы теории. Изменения в наиболее общих теориях приводят к изменению всей системы теоретического знания. Происходит научная революция.