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.