Динамика научного познания

1. Взаимодействие  научной картины  мира и опыта

     Взаимодействие  картины мира и опытных фактов может реализовываться в двух вариантах. Во-первых, на этапе становления новой области научного знания (научной дисциплины) и, во-вторых, в теоретически развитых дисциплинах при эмпирическом обнаружении и исследовании принципиально новых явлений, которые не вписываются в уже имеющиеся теории.

     Специальные картины мира как особая форма  теоретических знаний являются продуктом  длительного исторического развития науки. Они возникли в качестве относительно самостоятельных фрагментов общенаучной  картины мира на этапе формирования дисциплинарно организованной науки (конец XVIII - первая половина XIX в.). Но на ранних стадиях развития, в эпоху  становления естествознания, такой  организации науки еще не было. Это обстоятельство не всегда адекватно  осмысливается в методологических исследованиях. В 80-х годах, когда  интенсивно обсуждался вопрос о статусе  специальных картин мира, были высказаны  три точки зрения. Специальных картин мира вообще не существует и их не следует выделять в качестве особых форм теоретического знания; специальные картины мира являются ярко выраженными автономными образованиями; их автономия крайне относительна, поскольку они выступают фрагментами общенаучной картины мира. Однако, в истории науки могут найти подтверждения все три точки зрения, только они относятся к разным ее стадиям: додисциплинарной науке XVII века, дисциплинарно организованной науке XIX - первой половины XX в., современной науке с ее усиливающимися междисциплинарными связями. Эти стадии следует различать.

     Первой  из наук, которая сформировала целостную  картину мира, опирающуюся на результаты экспериментальных исследований, была физика. Зарождающаяся физическая картина мира содержала (особенно в предгалилеевский период) множество натурфилософских наслоений.

     В качестве характерного примера взаимодействия картины мира и опыта в эпоху становления естествознания можно указать на эксперименты В.Гильберта, в которых исследовались особенности электричества и магнетизма. В.Гильберт был одним из первых ученых, который противопоставил мировоззренческим установкам средневековой науки новый идеал - экспериментальное изучение природы. Однако картина мира, которая целенаправляла эксперименты В. Гильберта, включала ряд представлений, заимствованных из господствовавшей в средневековье аристотелевской натурфилософии. Хотя В. Гильберт и критиковал концепцию перипатетиков о четырех элементах (земли, воды, воздуха и огня) как основе всех других тел, он использовал представления о металлах как сгущениях земли и об электризуемых телах как о сгущениях воды. На основе этих представлений Гильберт выдвинул ряд гипотез относительно электрических и магнитных явлений. Эти гипотезы не выходили за рамки натурфилософских построений, но они послужили импульсом к постановке экспериментов, обнаруживших реальные факты.

     Целенаправляя наблюдения и эксперименты, картина  мира всегда испытывает их обратное воздействие. Можно констатировать, что новые  факты, полученные В. Гильбертом в процессе эмпирического исследования процессов  электричества и магнетизма, генерировали ряд достаточно существенных изменений  в первоначально принятой В. Гильбертом картине мира. В. Гильберт включает в картину мира представления  о планетах как о магнитных  телах. Он высказывает смелую гипотезу о том, что планеты удерживают на их орбитах силы магнитного притяжения. Такая трактовка, навеянная экспериментами с магнитами, радикально меняла представление  о природе сил. Новая трактовка  силы была преддверьем будущих представлений  механической картины мира.

     Полученные  из наблюдения факты могут не только видоизменять сложившуюся картину  мира, но и привести к противоречиям  в ней и потребовать ее перестройки. Лишь пройдя длительный этап развития, картина мира очищается от натурфилософских наслоений и превращается в специальную  картину мира, конструкты которой вводятся по признакам, имеющим опытное обоснование.

     В истории науки первой осуществила  такую эволюцию физика. В конце XVI - первой половине XVII в. она перестроила  натурфилософскую схему мира, господствовавшую в физике Средневековья, и создала  научную картину физической реальности - механическую картину мира. В ее становлении решающую роль сыграли  новые мировоззренческие идеи и  новые идеалы познавательной деятельности, сложившиеся в культуре эпохи  Возрождения и начала Нового времени. Осмысленные в философии, они  предстали в форме принципов, которые обеспечили новое видение  накопленных предшествующим познанием  и практикой фактов об исследуемых  в физике процессах и позволили  создать новую систему представлений  об этих процессах. Важнейшую роль в  построении механической картины мира сыграли: принцип материального  единства мира, исключающий схоластическое разделение на земной и небесный мир, принцип причинности и закономерности природных процессов, принципы экспериментального обоснования знания и установка  на соединение экспериментального исследования природы с описанием ее законов на языке математики. Обеспечив построение механической картины мира, эти принципы превратились в ее философское обоснование.

2. Формирование частных теоретических схем и законов

     Вторая ситуации развития теоретических знаний связана с формированием частных теоретических схем и частных теоретических законов. На этом этапе объяснение и предсказание эмпирических фактов осуществляется уже не непосредственно на основе картины мира, а через применение создаваемых теоретических схем и связанных с ними выражений теоретических законов, которые служат опосредующим звеном между картиной мира и опытом.

     В развитой науке теоретические схемы  создаются вначале как гипотетические модели, а затем обосновываются опытом. Их построение осуществляется за счёт использования абстрактных объектов, ранее сформированных в сфере  теоретического знания и применяемых  в качестве строительного материала  при создании новой модели.

     Только  на ранних стадиях научного исследования, когда осуществляется переход от преимущественно эмпирического  изучения объектов к их теоретическому освоению, конструкты теоретических  моделей создаются путём непосредственной схематизации опыта. Но затем они  используются в функции средства для построения новых теоретических  моделей, и этот способ начинает доминировать в науке. Прежний же метод сохраняется  только в рудиментарной форме, а  его сфера действия оказывается  резко суженной. Он используется главным  образом в тех ситуациях, когда  наука сталкивается с объектами, для теоретического освоения которых  ещё не выработано достаточных средств. Тогда объекты начинают изучаться  экспериментальным путём и на этой основе постепенно формируются  необходимые идеализации как  средства для построения первых теоретических  моделей в новой области исследования. Примерами таких ситуаций могут  служить ранние стадии становления  теории электричества, когда физика формировала исходные понятия –  «проводник», «изолятор», «электрический заряд» и т. д. и тем самым создавала  условия для построения первых теоретических  схем, объясняющих электрические  явления.

     Большинство теоретических схем науки конструируются не за счёт схематизации опыта, а методом  трансляции абстрактных объектов, которые  заимствуются из ранее сложившихся  областей знания и соединяются с  новой «сеткой связей». Следы  такого рода операций легко обнаружить, анализируя теоретические модели классической физики. Например, объекты фарадеевской модели электромагнитной индукции «силовые линии» и «проводящее вещество»  были абстрагированы не прямо из опытов по обнаружению явления электромагнитной индукции, а заимствовались из области  знаний магнитостатики («силовая линия») и знаний о токе проводимости («проводящее  вещество»). Аналогичным образом при создании планетарной модели атома представления о центре потенциальных отталкивающих сил внутри атома (ядро) и электронах были почерпнуты из теоретических знаний механики и электродинамики.

     В этой связи возникает вопрос об исходных предпосылках, которые ориентируют  исследователя в выборе и синтезе  основных компонентов создаваемой  гипотезы. Хотя такой выбор и представляет собой творческий акт, он имеет определённые основания. Такие основания создаёт  принятая исследователем картина мира. Вводимые в ней представления  о структуре природных взаимодействий позволяют обнаружить общие черты  у различных предметных областей, изучаемых наукой.

     Целенаправляющая  функция картины мира при выдвижении гипотез может быть прослежена на примере становления планетарной  модели атома.

     Эту модель обычно связывают с именем Резерфорда и часто излагают историю  её формирования таким образом, что  она возникала как непосредственное обобщение опытов Резерфорда по рассеянию  р-частиц на атомах. Однако действительная история науки далека от этой легенды. Резерфорд осуществил свои опыты  в 1912 г., а планетарная модель атома  впервые была выдвинута в качестве гипотезы физиком японского происхождения  Нагаока значительно раньше, в 1904 г.

     Здесь отчётливо проявляется логика формирования гипотетических вариантов теоретической  модели, которая создаётся «сверху» по отношению к опыту. Эскизно  эта логика применительно к ситуации с планетарной моделью атома  может быть представлена следующим  образом.

     Первым  импульсом к её построению, равно  как и к выдвижению целого ряда других гипотетических моделей (например, модели Томсона), послужили изменения  в физической картине мира, которые  произошли благодаря открытию электронов и разработке Лоренцом теории электронов. Поэтому конкретизация проблемы соотношения атомов и электронов была связана с выходом в сферу  философского анализа, что всегда происходит при радикальных сдвигах в картине мира.

     Последующее развитие физики подкрепило эту идею новыми экспериментальными и теоретическими открытиями. После открытия радиоактивности  и её объяснения как процесса спонтанного  распада атомов в картине мира утвердилось представление о  сложном строении атома. В итоге  возникла задача – построить «атом  вещества» из положительно и отрицательно заряженных «атомов электричества», взаимодействующих через эфир.

     Постановка  такой задачи подсказывала выбор  исходных абстракций для построения гипотетических моделей атома –  это должны быть абстрактные объекты  электродинамики. Что же касается структуры, в которую были погружены все  эти абстрактные объекты, то её выбор  в какой-то мере также был обоснован  картиной мира. В этот период (конец XIX – начало XX века) эфир рассматривался как единая основа сил тяготения  и электромагнитных сил, что делало естественной аналогию между взаимодействием  тяготеющих масс и взаимодействием  зарядов.

     Использование аналоговой модели было способом переноса из небесной механики структуры, которая  была соединена с новыми элементами (зарядами). Подстановка зарядов  на место тяготеющих масс в аналоговую модель привела к построению планетарной  модели атома.

     Таким образом, в процессе выдвижения гипотетических моделей картина мира играет роль исследовательской программы, обеспечивающей постановку теоретических задач  и выбор средств их решения.

     После того как сформирована гипотетическая модель исследуемых взаимодействий, начинается стадия её обоснования. Она  не сводится только к проверке тех  эмпирических следствий, которые можно  получить из закона, сформулированного  относительно гипотетической модели. Сама модель должна получить обоснование.

     Генерация нового теоретического знания осуществляется в результате познавательного цикла, который заключается в движении исследовательской мысли от оснований науки, и в первую очередь от обоснованных опытом представлений картины мира, к гипотетическим вариантам теоретических схем. Эти схемы затем адаптируются к тому эмпирическому материалу, на объяснение которого они претендуют. Теоретические схемы в процессе такой адаптации перестраиваются, насыщаются новым содержанием и затем вновь сопоставляются с картиной мира, оказывая на нее активное обратное воздействие. Развитие научных понятий и представлений осуществляется благодаря многократному повторению описанного цикла. В этом процессе происходит взаимодействие "логики открытия" и "логики оправдания гипотезы", которые выступают как взаимосвязанные аспекты развития теории.

     Развитие  теоретического знания на уровне частных  теоретических схем и законов подготавливает переход к построению развитой теории. 

3. Логика  построения развитых теорий в классической физике

     В науке классического периода  развитые теории создавались путем  последовательного обобщения и  синтеза частных теоретических  схем и законов.

     Таким путем были построены фундаментальные  теории классической физики - ньютоновская механика, термодинамика, электродинамика. Основные особенности этого процесса можно проследить на примере истории  максвелловской электродинамики.

     Создавая  теорию электромагнитного поля Максвелл опирался на предшествующие знания об электричестве и магнетизме, которые  были представлены теоретическими моделями и законами, выражавшими существенные характеристики отдельных аспектов электромасштабных взаимодействий (теоретические модели и законы Кулона, Ампера, Фарадея, Био и Савара и  т.д.).

     По  отношению к основаниям будущей  теории электромагнитного поля это  были частные теоретические схемы  и частные теоретические законы.

     Исходную  программу теоретического синтеза  задавали принятые исследователем идеалы познания и картина мира, которая  определяла постановку задач и выбор  средств их решения.

     В процессе создания максвелловской электродинамики  творческий поиск целенаправляли, с  одной стороны, сложившиеся в  науке идеалы и нормы, которым  должна была удовлетворять создаваемая  теория (идеал объяснения различных  явлений с помощью небольшого числа фундаментальных законов, идеал организации теории как  дедуктивной системы, в которой  законы формулируются на языке математики). С другой стороны, принятая Максвеллом фарадеевская картина физической реальности, которая задавала единую точку зрения на весьма разнородный теоретический материал, подлежащий синтезу и обобщению. Эта картина ставила задачу - объяснить все явления электричества и магнетизма как передачу электрических и магнитных сил от точки к точке в соответствии с принципом близкодействия.

     Вместе  с постановкой основной задачи она  очерчивала круг теоретических средств, обеспечивающих решение задачи. Такими средствами послужили аналоговые модели и математические структуры механики сплошных сред. Фарадеевская картина  мира обнаруживала сходство между передачей  сил в этих качественно различных  типах физических процессов и  тем самым создавала основу для  переброски соответствующих математических структур из механики сплошных сред в  электродинамику. Показательно, что  альтернативное максвелловскому направление  исследований, связанное с именами  Ампера и Вебера, исходило из иной картины  мира при поиске обобщающей теории электромагнетизма. В соответствии с этой картиной использовались иные средства построения теории (аналоговые модели и математические структуры заимствовались из ньютоновской механики материальных точек).

     Синтез, предпринятый Максвеллом, был основан  на использовании уже известной  нам операции применения аналоговых моделей. Эти модели заимствовались из механики сплошных сред и служили  средством для переноса соответствующих  гидродинамических уравнений в  создаваемую теорию электромагнитного  поля. Применение аналогий является универсальной  операцией построения новой теории как при формировании частных  теоретических схем, так и при  их обобщении в развитую теорию. Научные теории не являются изолированными друг от друга, они развиваются как  система, где одни теории поставляют для других строительный материал.

     Аналоговые  модели, которые использовал Максвелл - трубки тока несжимаемой жидкости, вихри в упругой среде, - были теоретическими схемами механики сплошных сред.

     Когда связанные с ними уравнения транслировались  в электродинамику, механические величины замещались в уравнениях новыми величинами. Такое замещение было возможным  благодаря подстановке в аналоговую модель вместо абстрактных объектов механики новых объектов - силовых  линий, зарядов, дифференциально малых  элементов тока и т.д. Эти объекты  Максвелл заимствовал из теоретических  схем Кулона, Фарадея, Ампера, схем, которые  он обобщал в создаваемой им новой  теории. Подстановка в аналоговую модель новых объектов не всегда осознается исследователем, но она осуществляется обязательно. Без этого уравнения  не будут иметь нового физического  смысла и их нельзя применять в  новой области.

     Эта подстановка означает, что абстрактные объекты, транслированные из одной системы знаний (в нашем примере из системы знаний об электричестве и магнетизме) соединяются с новой структурой ("сеткой отношений"), заимствованной из другой системы знаний (в данном случае из механики сплошных сред). В результате такого соединения происходит трансформация аналоговой модели. Она превращается в теоретическую схему новой области явлений, схему на первых порах гипотетическую, требующую своего конструктивного обоснования. 
 
 

4. Особенности построения развитых, математизированных теорий в современной  науке

     С развитием науки меняется стратегия  теоретического поиска. В частности, в современной физике теория создается  иными путями, чем в классической. Построение современных физических теорий осуществляется методом математической гипотезы. В отличие от классических образцов, в современной физике построение теории начинается с формирования ее математического аппарата, а адекватная теоретическая схема, обеспечивающая его интерпретацию, создается уже  после построения этого аппарата. Новый метод выдвигает ряд  специфических проблем, связанных  с процессом формирования математических гипотез и процедурами их обоснования.

     Первый  аспект этих проблем связан с поиском  исходных оснований для выдвижения гипотезы. В классической физике основную роль в процессе выдвижения гипотезы играла картина мира. По мере формирования развитых теорий она получала опытное  обоснование не только через непосредственное взаимодействие с экспериментом, но и косвенно, через аккумуляцию  экспериментальных фактов в теории. И когда физические картины мира представали в форме развитых и обоснованных опытом построений, они задавали такое видение исследуемой  реальности, которое вводилось коррелятивно к определенному типу экспериментально-измерительной  деятельности. Эта деятельность всегда была основана на определенных допущениях, в которых неявно выражались как  особенности исследуемого объекта, так и предельно обобщенная схема  деятельности, посредством которой  осваивается объект.

     В физике эта схема деятельности выражалась в представлениях о том, что следует  учитывать в измерениях и какими взаимодействиями измеряемых объектов с приборами можно пренебречь. Указанные допущения лежат в  основании абстрактной схемы  измерения, которая соответствует  идеалам научного исследования и  коррелятивно которой вводятся развитые формы физической картины мира.

     При столкновении с новым типом объектов, структура которых не учтена в  сложившейся картине мира, познание меняло эту картину. В классической физике такие изменения осуществлялись в форме введения новых онтологических представлений. Однако последние не сопровождались анализом абстрактной  схемы измерения, которая составляет операциональную основу вводимых онтологических структур. Поэтому каждая новая картина  физической реальности проходила длительное обоснование опытом и конкретными  теориями, прежде чем получала статус картины мира. Современная физика дала образцы иного пути построения знаний. Она строит картину физической реальности, эксплицируя схему измерения, в рамках которой будут описываться новые объекты. Эта экспликация осуществляется в форме выдвижения принципов, фиксирующих особенности метода исследования объектов (принцип относительности, принцип дополнительности).

     Сама  картина на первых порах может  не иметь законченной формы, но вместе с принципами, фиксирующими "операциональную  сторону" видения реальности, она  определяет поиск математических гипотез. Новая стратегия теоретического поиска сместила акценты и в философской  регуляции процесса научного открытия. В отличие от классических ситуаций, где выдвижение физической картины  мира прежде всего было ориентировано "философской онтологией", в  квантово-релятивистской физике центр  тяжести был перенесен на гносеологическую проблематику. Поэтому в регулятивных принципах, целенаправляющих поиск  математических гипотез, явно представлены (в конкретизированной применительно  к физическому исследованию форме) положения теоретико-познавательного  характера (принцип соответствия, простоты и т.д.).

     В ходе математической экстраполяции  исследователь создает новый  аппарат путем перестройки некоторых  уже известных уравнений. Физические величины, входящие в такие уравнения, переносятся в новый аппарат, где получают новые связи, а значит, и новые определения. Соответственно этому заимствуются из уже сложившихся  областей знания абстрактные объекты, признаки которых были представлены физическими величинами. Абстрактные  объекты погружаются в новые  отношения, благодаря чему наделяются новыми признаками. Из этих объектов создается  гипотетическая модель, которая неявно вводится вместе с новым математическим аппаратом в качестве его интерпретации.

     Такая модель, как правило, содержит неконструктивные элементы, а это может привести к противоречиям в теории и  к рассогласованию с опытом даже перспективных математических аппаратов.

     Таким образом, специфика современных  исследований состоит не в том, что  математический аппарат сначала  вводится без интерпретации (неинтерпретированный аппарат есть исчисление, математический формализм, который принадлежит  математике, но не является аппаратом  физики). Специфика заключается в  том, что математическая гипотеза чаще всего неявно формирует неадекватную интерпретацию создаваемого аппарата, а это значительно усложняет  процедуру эмпирической проверки выдвинутой гипотезы. Сопоставление следствий из уравнений с опытом всегда предполагает интерпретацию величин, которые фигурируют в уравнениях. Поэтому опытом проверяются не уравнения сами по себе, а система: уравнения плюс интерпретация. И если последняя неадекватна, то опыт может выбраковывать вместе с интерпретацией весьма продуктивные математические структуры, соответствующие особенностям исследуемых объектов.

     Чтобы обосновать математическую гипотезу опытом, недостаточно просто сравнивать следствия  из уравнений с опытными данными. Необходимо каждый раз эксплицировать гипотетические модели, которые были введены на стадии математической экстраполяции, отделяя их от уравнений, обосновывать эти модели конструктивно, вновь  сверять с созданным математическим формализмом и только после этого  проверять следствия из уравнений  опытом.

     Длинная серия математических гипотез порождает  опасность накопления в теории неконструктивных элементов и утраты эмпирического  смысла величин, фигурирующих в уравнениях. Поэтому в современной физике на определенном этапе развития теории становятся необходимыми промежуточные  интерпретации, обеспечивающие операциональный  контроль за создаваемой теоретической  конструкцией. В системе таких  промежуточных интерпретаций как  раз и создается конструктивнообоснованная  теоретическая схема, обеспечивающая адекватную семантику аппарата и  его связь с опытом.

     Таким образом, эволюция физики сохраняет  на современном этапе некоторые  основные операции построения теории, присущие ее прошлым формам (классической физике). Но наука развивает эти  операции, частично видоизменяя их, а частично воспроизводя в новых  условиях некоторые черты построения математического аппарата и теоретических  моделей, свойственные классическим образцам.

     Процесс формирования теоретического знания осуществляется на различных стадиях эволюции науки  различными способами и методами, но каждая новая ситуация теоретического поиска не просто устраняет ранее  сложившиеся приемы и операции формирования теории, а включает их в более  сложную систему приемов и  методов.