Универсальные принципы естествознания (наука в общечеловеческом измерении) (стр. 2 )

16.  Б. Рассел. Человеческое познание. М., 1997.

17.  К. Ясперс. Смысл и назначение истории. М., 1994.

18.  К. Поппер. Открытое общество и его враги. М., 1992.

19.  Социокультурный контекст науки. М., 1998.

20.  Ценностные аспекты развития науки. М., 1990.

21.  Философские и религиозные истоки науки. М., 1997.

22.  Наука и ее место в культуре. Новосибирск. 1990.

23.  Наука и культура. 1984.

24.  Философский энциклопедический словарь. М. 1987.

25.  Физическая энциклопедия. М., .

Большая советская энциклопедия. М., .

Ученый должен систематизировать факты. Наука состоит из них, подобно тому, как здание состоит из кирпичей. Однако простое нагромождение фактов похоже на науку не более, чем груда кирпичей на дом.

Анри Пуанкаре

В родстве со всем, что есть, уверясь

И знаясь с будущим в быту,

Нельзя не впасть к концу, как в ересь,

В неслыханную простоту

Б. Пастернак

Модуль 2

Структурные уровни организации материи и структура естествознания

Подразделение естествознания на отдельные дисциплины как отражение структурных уровней организации материи. Пространственно-временные масштабы в естествознании. Микро-, макро-, мегамиры. Взаимодействие как важнейший фактор существования любых объектов в природе. Фундаментальные взаимодействия и поля.

Важнейшими свойствами материи являются структурность и системность. Материя структурирована определенным образом на всех масштабно-временных уровнях: от элементарных частиц до Вселенной в целом. Системность означает упорядоченность множества связанных друг с другом элементов, обладающих целостностью по отношению к другим объектам или внешним условиям. Таким образом, система характеризуется внутренними связями более сильными, чем связи с окружающей средой (Рис. 2.1).

Отсюда вытекает необходимость не просто классифицировать различные объекты природы, но и изучать связи между ними, или взаимодействия. Наиболее интересными с принципиальной точки зрения являются так называемые фундаментальные взаимодействия, лежащие в основе всего многообразия видимых и известных науке сил действия одного тела на другое.

Каждому из них соответствует свое физическое поле. Их число невелико (в настоящее время три: гравитационное, электрослабое и сильное), и есть надежда, что в результате создания общей теории (суперобъединения) их можно будет свести к одной Универсальной Силе Природы. Эта глобальная проблема стоит на повестке дня со времен А. Эйнштейна, гения которого не хватило для ее решения, хотя он и потратил на это около 30 последних лет жизни. Надежды на такую возможность связаны с тем, что уже существует один универсальный подход к описанию всех видов фундаментальных взаимодействий, а именно, квантово-полевой. Схематически любое взаимодействие двух частиц (тел) в вакууме (т. е. без каких-либо передающих сред) можно описать как обмен этих частиц квантами соответствующего поля, испускаемых одной из них и поглощаемой другой (Рис. 2.2). При этом кванты поля, распространяясь с конечной скоростью (в вакууме со скоростью света), переносят энергию и импульс, что ощущается частицами, поглощающими их, как действие силы. В связи с конечной скоростью распространения квантов поля в пространстве утвердилась концепция «близкодействия». Это означает, что любое действие, любая информация передается от одного тела к другому не мгновенно, а последовательно от одной точки в пространстве - к другой с конечной скоростью. Господствовавшая до этого противоположная точка зрения – «дальнодействие» – интуитивно, a priori предполагавшая, что информация о положении любой частицы и ее движении распространяется по всей Вселенной мгновенно, не выдержала испытаний опытом и представляет сейчас только исторический интерес.

Рис. 2.1. Схема, отражающая структурность и системность материи

Рис. 2.2. Фундаментальный квантово-полевой механизм действия одной частицы на другую путем обмена квантами поля, которые распространяются в вакууме со скоростью v, равной скорости света.

Частицам присуща масса покоя, в то время как кванты поля ее не имеют. Частицы локализованы в той или иной области пространства, а поля распределены в нем. Но при этом и те и другие одновременно обладают и свойствами волн и свойствами частиц (так называемый «корпускулярно-волновой дуализм»). Отмечавшаяся в модуле 1 возможность превращений вещество – поле - вещество в мире элементарных частиц отражает внутреннее единство материи.

Структура естествознания. Наиболее важные структурные единицы материи можно выстроить в ряд согласно их характерным размерам. Здесь важно понять, что речь идет лишь о порядках величин, характеризующих протяженность типичного представителя в пространстве и продолжительность типичных процессов в нем. Несмотря на общеметодологическое единство естествознания (см. следующий модуль) при изменении характерных размеров и времен на колоссальное число порядков величин возникает необходимость вырабатывать специфические приемы исследования и анализа. Укрупненно и очень условно (в смысле положения границ) природу можно разбить на три «царства» (или «мира»): микро-, макро - и мега - (Рис. 2.3).

Первый – это мир элементарных частиц, фундаментальных полей и систем, содержащих небольшое число таких частиц. Это - корни естествознания, и в них сосредоточены наиболее принципиальные проблемы мироздания. Макро-мир – это привычный нам уровень окружающих нас предметов и явлений. Даже он кажется огромным и чрезвычайно разнообразным, хотя это всего лишь небольшая часть природы. Наконец, мегамир составляют объекты, сопоставимые по размерам с Вселенной, размеры которой пока не установлены даже по порядку величины.

Более детальное и тоже весьма условное дробление этих уровней (Рис. 2.4) привело к появлению соответствующих наук в естествознании: физика, химия, биология и т. д., обосновавшихся в своих «зонах ответственности». Каждая из них содержит около сотни еще более узких конкретных дисциплин (например, механика, термодинамика, органическая химия, зоология, ботаника, физиология растений и т. д.). Существуют и междисциплинарные разделы науки, например, синергетика (от греческого слова совместный, согласованно действующий) – теория самоорганизации в открытых неравновесных

Рис. 2.3.Три масштабных уровня событий и объектов в едином организме природы

cистемах, охватывающая все уровни структуры материи и рассматривающая природу как комплексную самоорганизующуюся систему.

Макромир доступен прямому наблюдению, события в нем привычны нам, мы контактируем и взаимодействуем с ним каждый

момент времени. Он изучается человеком много тысячелетий, и знания о нем имеют прямую практическую полезность. Тем не менее, и в нем существует множество не разгаданных загадок природы. В этой области науки продолжает трудиться подавляющая часть современных ученых.

Как видно из рис. 2.4, характерные размеры в макромире сопоставимы с размерами человека (~1м), характерные времена – с периодом сердечных сокращений (~1с), а скорости – со скоростью перемещения живых существ (~1 м/с). Разумеется, не следует понимать эти цифры буквально. В окружающем нас макромире они могут быть меньше и больше на несколько порядков величины. По отношению к процессам в этих условиях у человека накоплен большой бытовой опыт, выработались интуитивные представления об их течении и последствиях. Первая универсальная количественная теория природы – механика Ньютона – успешно объясняла и предсказывала события в этом мире не очень больших и не очень маленьких характерных размеров и не слишком высоких скоростей (по сравнению со скоростью света).

Явления в микро - и мега-мирах практически не проявляются на бытовом уровне, поэтому множество людей и не подозревают об их существовании. Другим кажется, что в практическом смысле они не имеют никакого значения. Отчасти эту точку зрения можно понять, поскольку действительно, не только влияние, но и само существование элементарных частиц или, скажем, черных дыр в глубинах Вселенной, невозможно установить без сложных приборов. Даже качественные представления о них невозможно вывести из бытового опыта, по аналогии с известными макроскопическими событиями. Тем не менее, мы сами, будучи макроскопическими объектами, состоим на 100% из совокупности элементарных частиц, организованных и связанных между собой определенным образом, и являемся частью гигантской Вселенной. Так что новые знания о микро - и мега-мирах важны не только в познавательном или мировоззренческом смысле, но и ведут к более глубокому и ясному пониманию сущности процессов, протекающих в привычном нам макромире.

Рис. 2.4. Структурные уровни строения материи и степень интереса к ним со стороны основных разделов естествознания

Представить себе различие каких-либо характеристик на 20 или 30 порядков величины весьма сложно, особенно лицам, не имеющим опыта в количественном анализе и обращении с большими числами. Так, например, человек состоит примерно из 1025 атомов, а его средняя продолжительность жизни составляет ~2·109 секунд. С другой стороны, характерные размеры человека (скажем, рост) в ~1025 раз меньше размеров видимой Вселенной. Как себе представить столь большое число как 1025 (но далеко не предельное для многих соотношений в природе)? Воображение отказывается воспринимать и сопоставлять такие числа. Так, если мы поставим 1025 атомов в одну цепочку плотно друг к другу, то ее длина будет равна ~ 1015 м, что намного превышает размеры Солнечной системы. Свету потребуется около года, чтобы пробежать этот путь (от Луны до Земли свет распространяется примерно за 1 секунду, а от Солнца до Земли – за 8 минут).

Разница в 15-20 порядков величины между характерными временами и размерами макро - и мегамира с одной стороны и макро - и микромира – с другой лишает возможности судить о мега - и микромире на основе опыта и знаний, полученных в макромире. Экстраполяции на десятки порядков величин в обе стороны от изученной области не могут быть надежным источником представлений об объектах, столь отличающихся от ньютоновского яблока как Вселенная или элементарная частица. И действительно, сейчас мы знаем, что для этих миров пришлось создавать принципиально новые представления и теории, в то же время сохраняющие преемственность по отношению к механике Ньютона.

В заключение этой темы скажем несколько слов о математике. В буквальном переводе с греческого – это слово означает знание, науку вообще. В настоящее время под математикой понимают науку о количественных отношениях и пространственных формах объектов действительного мира в максимально абстрактной форме. Высокая степень абстрагирования от реальных объектов Природы придает математике колоссальную универсальность и востребованность в самых различных областях жизни, а не только в науке. Но, конечно, наиболее интенсивные отношения у математики существуют с естествознанием. Четыре века назад Галилео Галилей, выдающийся итальянский естествоиспытатель, сказал: «Тот, кто хочет решать вопросы естественных наук без помощи математики, ставит неразрешимую задачу. Следует измерять то, что измеримо, и делать измеримым то, что таковым не является». В подобном духе высказывались многие известные мыслители, например, Карл Маркс: «Наука только тогда достигает совершенства, когда ей удается пользоваться математикой».

Однако абсолютизировать возможности и результаты, полученные чисто математическими методами не следует. Ими необходимо и полезно пользоваться, но с большой осторожностью и пониманием ряда тонких моментов. Во-первых, строгое, точное математическое решение может быть получено для очень ограниченного круга задач. В большинстве случаев доступны только приближенные решения. Известно, что многие физические системы и математические задачи имеют исключительно высокую чувствительность к внешним факторам, начальным условиям или точности вычислений в точках неустойчивого поведения. В результате бесконечно малого возмущения система может перейти в этой точке в то или иное новое состояние, но в какое именно предсказать невозможно.

Во-вторых, математическая постановка задачи для любых природных процессов возможна лишь после построения модели этого процесса, которая учитывает лишь наиболее существенные его свойства. Даже если интуитивно в модели действительно правильно учтены все наиболее важные свойства объекта (что часто граничит с искусством, т. к. никогда заранее не известно, что же является более существенным, а что менее), то все равно это всего лишь схема явления (или карикатура, шарж), а не само явление во всей его сложности. В этих обстоятельствах «абсолютно точные» решения теряют смысл. Правильнее ставить условие, чтобы точность расчетов была не ниже погрешностей, вносимых при конструировании модели и связанных с игнорированием многих характеристик и свойств реального объекта.

Любая модель должна иметь количественные характеристики, константы и т. д., взятые из опыта. Но абсолютно точно измерить ничего нельзя по совокупности действия нескольких принципиальных причин. Во-первых, существует соотношение неопределенности В. Гейзенберга (см. модуль 6), исключающее возможность измерить абсолютно точно положение и скорость частицы одновременно. Во-вторых, никакое измерение не может быть осуществлено без вмешательства в состояние объекта измерения, т. е. без изменения этого состояния. Можно лишь ставить задачу свести это вмешательство к допустимому, заранее заданному малому уровню. В-третьих, ни одно измерительное средство не может быть абсолютно точным. Оно всегда обладает конечной (хотя иногда и фантастически высокой) точностью.

Заметим также, что построить логически безупречную математику как дедуктивную систему в принципе невозможно: согласно теореме Геделя (первая половина 20-го века) при построении такой системы мы неизбежно придем к утверждениям, относительно которых нельзя будет доказать ни то, что они ложны, ни то, что они истинны. Выбрав интуитивно (а фактически - произвольно) тот или иной ответ, мы дополним аксиоматический базис и сможем строить свою систему дальше. Причем такие ситуации могут возникать неограниченное число раз. В итоге математику можно считать дедуктивной системой только на интервалах между точками, в которых необходимо высказывать интуитивные суждения. Так что термины «точное», «строгое» по отношению к естествознанию, или «точные науки», которые являются практически его синонимом, не следует воспринимать буквально.

Завершая этот модуль, отметим, что дифференциация наук на крупные и далее на более частные дисциплины вызвана лишь большим объемом накопленных знаний и, возможно, несовершенством человеческого мозга, который не способен сразу ухватить суть того или иного природного объекта, явления во всей его полноте и вынужден анализировать его с разных сторон по отдельности. В результате каждой группе исследователей один и тот же объект представляется в совершенно разном свете. В шутливой форме эта ситуация изображена на рис. 2.5, где несколько человек, ощупывая в темноте разные части тела слона, высказывают суждения о том, что они исследуют и на что похож исследуемый объект. Все они, конечно, правы по-своему, но очень далеки от истины. Так что в результате дифференциации наук, увлечения редукционизмом (сведением сложных явлений к более простым), аналитическими методами исследования легко может потеряться общность, целостность видения природы и в конечном итоге многогранная истина.

В борьбе с лавинным ростом фактической информации об окружающем мире наука давно выработала свой рецепт: необходимо искать и находить подходы и законы как можно более универсальные

Рис. 2.5. Чем слон кажется исследователям, изучающим его по частям в полной темноте.

т. е. охватывающие как можно больший круг явлений. Это позволяет, во-первых, сильно сжать имеющуюся информацию, во-вторых, более глубоко и всесторонне познать сущность изучаемого явления и, в-третьих, (что ценнее всего) предсказать и помочь найти еще неизвестные явления, объекты, исходя из более общих представлений о них. Существует множество примеров, подтверждающих плодотворность такого подхода (законы сохранения энергии, импульса, принципы термодинамики и т. д.). Нет никаких сомнений, что обобщающие теории и законы – будущее естествознания.

Вопросы и темы к семинару

1.  Структурность и системность как атрибуты материи.

2.  Сущность двух форм материи – вещества и поля и их взаимоотношения.

3.  Фундаментальные взаимодействия.

4.  Особенности микромира.

5.  Особенности макромира.

6.  Особенности мега-мира.

7.  Единство природы и дифференциация естествознания на дисциплины.

8.  Что по Вашему мнению должен знать образованный человек о микро - и мега-мире?

Литература

1.  , . Современная физическая картина мира. М., 1980

2.  . Куда течет река времени? М., 1990

3.  К. Поппер. Логика и рост научного знания. М., 1983

4.  В. Гейзенберг. Физика и философия. Часть и целое. М., 1989

5.  А. Пуанкаре. О науке. М., Наука, 1993

6.  Б. Рассел. Человеческое познание. М., 1997

7.  . Предмет науки. М., 1977

8.  Естествознание: системность и динамика. М., 1990

. Дисциплинарная структура науки. М., 1989

Таким образом, мы находимся в положении человека, который может рассматривать интересующий его предмет только через стекла очков, оптические свойства которых он не знает.

Макс Планк

Модуль 3

Методология, принципы и методы

естествознания

Методология, принципы и методы объективного описания природы. Идеалы, критерии и нормы науки. Этические нормы в науке. Эстетические аспекты научного творчества. Лженаука и псевдонаука.

Методология – это система наиболее важных принципов и способов организации и осуществления какого-либо вида деятельности, а также учение об этой системе (Рис. 3.1). У каждого вида деятельности имеется своя методология, существующая в явном или неявном виде, сформулированная и зафиксированная в каких-либо формах или применяемая стихийно-интуитивно. Принципы – это ключевые положения методологии, а методы – набор конкретных приемов, с помощью которых осуществляется тот или иной вид деятельности (от греческого «методос» – путь к чему-либо).

Методология науки в целом и все научные методы исходят из принципа причинности. Его содержание менялось по мере развития науки (см., например, модуль 7), но ключевое положение, на котором зиждется научный подход, остается неизменным: что бы ни происходило в природе - все обусловлено своими причинами. Глобальная задача науки и заключается в выяснении всех значимых причинно – следственных связей в окружающем мире (рис. 3.2). Они могут быть неодномерны, сложны, непознанны, но это не отменяет их существо

Рис. 3.1. Содержание методологии науки

Рис. 3.2. Одно из звеньев бесконечной цепочки причинно-следственных связей в природе

вания. Никакого места произволу, сверхъестественному вмешательству потусторонних сил природа не оставляет.

Очень важно понять, что принцип причинности является основополагающим не только для «точных» наук, но и для истории, социологии, юриспруденции и т. д. Действительно, трудно себе представить, к примеру, следователя, расследующего уголовное преступление и допускающего «чудеса» в виде беспричинного появления или исчезновения улик с места преступления, «сверхъестественного» чутья на завоз денег в банк или внезапного падения курса определенных акций.

Известный французский философ, физик, математик и физиолог 17 века Р. Декарт формулировал понятие метода следующим образом «Под методом я разумею точные и простые правила, строгое соблюдение которых … без лишней траты умственных сил, но постепенно и непрерывно увеличивая знания, способствует тому, что ум достигает истинного познания всего, что ему доступно». В наше время такому пониманию скорее соответствует термин «алгоритм».

А вот мнение Ф. Бекона о роли метода в науке: «Достоинство хорошей методы состоит в том, что она уравнивает способности: она вручает всем средство легкое и верное. Делать круг от руки трудно, надобно навык иметь; циркуль стирает различие способностей и дает каждому возможность делать круг самый правильный». Не оспаривая эту мысль локально, заметим, что владение хорошим методом наряду с большой пользой может внушить работнику и большую иллюзию владения высшими тайнами науки. В действительности – это всего лишь технология, которая никак не может заменить идеи, философии исследования.

Обычно выделяют несколько групп (уровней) методов познания, в частности, практически во всех классификациях присутствуют:

·  Специальные методы

·  Частнонаучные методы

·  Общенаучные методы

По другим признакам их можно разделить на эмпирические, теоретические и методы моделирования.

В свою очередь, все их можно дифференцировать и дальше. Так, общенаучные эмпирические методы включают наблюдение, эксперимент, измерение.

Наблюдение – простейший их них. На начальных стадиях развития любой науки наблюдения играют важнейшую роль и образуют эмпирический базис науки. Он позволяет провести поиск, сравнение, классификацию объектов и т. п., однако по мере развития науки его ценность падает. Более информативен эксперимент – целенаправленное воздействие на объект в строго контролируемых условиях и изучение его поведения в этих условиях.

Искусство экспериментатора, в первую очередь, как раз и заключается в создании таких условий эксперимента, которые позволяют «очистить» ситуацию от влияния большого числа побочных факторов и оставить один – два, которыми можно сознательно управлять и целенаправленно воздействовать на объект, изучая его отклики на эти контролируемые воздействия. При этом, зачастую заранее не известно, какие факторы являются важными, а какие – менее важными, все ли неконтролируемые воздействия исключены и не создают ли они помех, сопоставимых или даже больших, чем реакция объекта на контролируемое воздействие. В самой постановке опыта, ограничивающего степени свободы объекта и набор факторов на него действующих, заложена большая опасность «с пеной выплеснуть ребенка из ванночки».

Эксперименты могут быть качественными и количественными. Первые могут помочь в решении принципиальных вопросов: существует ли такой эффект в природе? растет или падает скорость процесса при увеличении давления? постоянна ли данная величина в действительности при изменении условий в широких пределах (например, заряд электрона, скорость света в вакууме и т. п.)? Гораздо более информативны количественные эксперименты, включающие измерения. Так, известный английский физик В. Томсон (лорд Кельвин), именем которого названа шкала абсолютных температур, писал «каждая вещь известна лишь настолько, насколько ее можно измерить». Измерение – есть процесс определения количественных характеристик объекта или процесса, выраженных в заранее принятых единицах измерения данной величины (например, в метрах, секундах, граммах, Вольтах, градусах и т. д.).

Среди общенаучных теоретических методов можно выделить абстрагирование, мысленный эксперимент, индукцию, дедукцию и др. Абстрагирование состоит в мысленном упрощении объекта путем игнорирования ряда его несущественных (в данной постановке задачи) признаков и наделении его несколькими (иногда одним, двумя) наиболее существенными, например, материальная точка, береза, неустойчивое состояние. В первом примере игнорируются все геометрические и физические характеристики реального тела (объем, форма, материал и его физические свойства) кроме массы, мысленно сосредотачиваемой в центре масс. Во втором, несмотря на то, что в мире нет двух абсолютно одинаковых берез, - мы все-таки ясно понимаем, что речь идет о разновидности дерева со своими характерными особенностями архитектуры, формы и строения листочков и т. д., в третьем примере подразумевается некоторая абстрактная система (без рассмотрения ее устройства и состава), которая под действием ничтожно малых случайных причин может выйти из своего исходного состояния, характеризующегося некоторым набором параметров, и самопроизвольно перейти в другое, с другим набором характеристик. Конечно, мы теряем при таком рассмотрении множество деталей, характеризующих реальный объект, но взамен получаем простую схему, допускающую широкие обобщения. И впрямь, не можем же мы ставить перед собой задачу изучить каждую березу на Земле, хотя все они чем-то и отличаются друг от друга.

Под материальной точкой в разных задачах может подразумеваться молекула, автомобиль, Луна, Земля, Солнце и т. д. Такая абстракция удобна для описания механического движения, но совершенно непродуктивна при анализе, скажем, физических или химических свойств реального твердого тела. Многие исключительно полезные абстракции пережили века и тысячелетия (атом, геометрическая точка, прямая линия) хотя и наполнялись разным смыслом в разные эпохи. Другие - (теплород, мировой эфир) не выдержали испытания временем и опытом.

Еще одним мощным методом теоретического анализа является мысленный эксперимент. Он проводится с идеализированными объектами, отражающими наиболее существенные свойства реальных, и в ряде случаев позволяет путем логических умозаключений получить некоторые предварительные результаты, помогающие упростить, сузить фронт дальнейших детальных исследований. Таким методом было решено много принципиальных задач в естествознании. Так, Галилей открыл закон инерции, мысленно понижая, а затем и вовсе исключая силы трения при движении, а Максвелл прояснил суть важнейшего для понимания природы закона – второго начала термодинамики – путем мысленного расположения на пути летящих молекул гипотетического «демона», сортирующего их по скоростям.

Индукция (от латинского inductio – наведение, побуждение, возбуждение) – это метод познания, заключающийся в получении, выведении общих суждений, правил, законов на основании отдельных фактов. Т. е. индукция – это движение мысли от частного к общему и более универсальному. Строго говоря, львиная доля наиболее общих законов природы получена методом индукции, т. к. изучить досконально абсолютно все объекты данного типа совершенно нереально. Обычно вопрос заключается лишь в том, сколько же частных случаев необходимо рассмотреть и потом учесть, чтобы на этом основании сделать убедительный обобщающий вывод. Скептики считают, что достоверно доказать этим способом ничего невозможно, поскольку ни тысяча, ни миллион, ни миллиард фактов, подтверждающих общий вывод, не гарантируют, что тысяча первый или миллион первый факт не будет противоречить ему.

Метод противоположный по направлению движения мысли – от общего к частному – называется дедукция (от латинского deductio – выведение). Вспомните знаменитый дедуктивный метод сыска Шерлока Холмса. Т. е. дедукция и индукция – взаимодополняющие методы построения логических умозаключений.

Примерно в таком же соотношении между собой находятся методы анализа и синтеза, используемые как в эмпирических так и теоретических исследованиях. Анализ – мысленное или реальное расчленение объекта на составные части и исследование их порознь. Вспомните обычную поликлинику – учреждение для диагностики и лечения болезней человека и ее структуру, представленную кабинетами окулиста, невропатолога, кардиолога, уролога и т. д. Ввиду исключительной сложности человеческого организма гораздо легче научить врача распознавать болезни отдельных органов или систем, а не всего организма в целом. В ряде случаев этот подход дает желаемый результат, в более сложных – нет. Поэтому методы анализа дополняются методом синтеза, т. е. сведения всех знаний о частных фактах в единое связанное целое.

В течение нескольких последних десятилетий интенсивно развивались методы моделирования, являющиеся младшими, но более развитыми братьями метода аналогий. Вывод «по аналогии» осуществляют переносом результатов, полученных на одном объекте, на другой – «аналогичный». Степень этой аналогичности определяют различными критериями, наиболее систематично вводимыми в так называемой «Теории подобия».

Моделирование обычно подразделяют на мысленное, физическое и численное (компьютерное). Мысленное моделирование реального объекта или процесса посредством идеальных объектов и связей – важнейший метод науки. Без мысленной модели невозможно понять, проинтерпретировать результаты эксперимента, «сконструировать» математическую или компьютерную модели явления, поставить сложный натурный эксперимент. Известный не только блестящими результатами в физике, но и остроумными высказываниям, академик А. Мигдал сказал как-то: «Если математика – это искусство избегать вычислений («чистая», неприкладная математика, как правило, не имеет дел с вычислениями), то теоретическая физика – это искусство вычислять без математики». Конечно же здесь слово «вычислять» не имеет буквального смысла – проведение тщательных, точных вычислений. Подразумевается искусство предвидеть результат в рамках удачной, адекватной модели по порядку величины, или в виде соотношения: если одна величина достигнет какого-то значения, то другая будет равна тому-то, или искомая величина обязана быть больше некоторой критической, или лежать в определенном интервале значений. Как правило, в большинстве задач и реальных проблем высококвалифицированный ученый может прийти к таким заключениям, не проводя никаких опытов, а просто построив в уме некоторую качественную модель явления. Искусство в том и состоит, чтобы пройти по лезвию ножа: модель должна быть реалистичной и в то же время - простой.

Физическое (предметное) моделирование проводят в тех случаях, когда невозможно или затруднительно (по технологическим или финансовым причинам) провести эксперимент на оригинальном объекте или надежно рассчитать что-то с необходимой точностью. Например, для определения трудно поддающегося расчетам аэродинамического сопротивления самолета, автомобиля, поезда или гидродинамического сопротивления корабля на стадии проектирования обычно строят модель уменьшенных размеров и продувают ее в специальных аэродинамических трубах или гидравлических каналах. В известном смысле любой натуральный эксперимент можно рассматривать как физическую модель некоторой более сложной ситуации.

Математическое моделирование является важнейшей разновидностью символического моделирования. (К ним так же относятся разнообразные графовые и топологические представления, символьные записи структуры молекул и химических реакций и многое другое). В сущности, математическая модель – это система уравнений, дополненная начальными и граничными условиями и другими данными, взятыми из опыта. Для того, чтобы такое моделирование было результативным, необходимо, во-первых, составить адекватную изучаемому явлению мысленную модель, отражающую все существенные стороны явления, а во-вторых, - решить чисто математическую задачу, зачастую имеющую очень высокий уровень сложности.

Наконец, в последние десятилетия большую популярность приобрели компьютерные методы моделирования. Обычно – это численные методы, т. е. не дающие решения задачи в общем виде, как в математическом моделировании. Это означает, что каждый конкретный численный вариант одной и той же задачи требует нового расчета.

Частные и специальные методы представляют интерес для представителей конкретных научных дисциплин, и мы не будем останавливаться на них.

Методологические принципы естествознания. Перейдем теперь к обсуждению наиболее важных и общих для естествознания методологических принципов научного творчества, идеалов, критериев и норм науки. Важнейшими из них являются следующие:

1.  Материалистическая основа мировоззрения, объективность, убежденность в познаваемости природы рациональными методами. В свою очередь, эти требования напрямую связаны с важнейшей методологической концепцией обусловленности всего происходящего в действительности причинно-следственными связями.

2.  Использование строго определенных понятий, характеристик, величин. Вместе с тем, необходимо понимать, что абсолютно строго определить ни один объект или процесс невозможно. Что такое шариковая ручка, которой Вы сейчас подчеркиваете текст? Где граница между ней и окружающим воздухом снаружи и между ней и чернилами внутри и на бумаге? Что такое процесс подчеркивания текста? Это физический процесс переноса чернил на бумагу, или химический процесс взаимодействия молекул чернил с молекулами бумаги, или интеллектуальный процесс отбора и выделения наиболее значимых фрагментов текста? Очевидно, выбор зависит от характера задачи и спектра ожидаемых результатов. Здесь таятся большие опасности субъективизма, поскольку в самой постановке задачи уже закладывается ограниченный набор возможных решений.

3.  Непротиворечивость основных положений науки – достаточно очевидный принцип, поскольку его несоблюдение приведет к разрушению науки как взаимосвязанной системы знаний о мире и ее бесплодности. Внутренне непротиворечивая система знаний в принципе допускает возможность отделить высказывания, положения, теории, совместимые с действительностью, от несовместимых. Допущение противоречивых высказываний автоматически лишает такой возможности.

4.  Воспроизводимость результатов в аналогичных условиях. Этот принцип подразумевает, что если условия наблюдения некоего явления воссоздать в другом месте (лаборатории, производстве) или в одном и том же, но спустя некоторое время, то явление или процесс повторится снова. Т. е. вопрос заключается лишь в строгости условий опыта, точности воспроизведения всех обстоятельств. Как уже говорилось, абсолютно точно ничего воспроизвести и измерить невозможно, но, абстрагируясь от несущественных деталей, можно сколько угодно раз повторить главный, принципиальный результат.

5.  Последней инстанцией в борьбе теорий, идей, концепций является опыт (эксперимент). Лишь он – верховный судья в вопросе, что есть Истина, а не самые изящные, логичные или авторитетные суждения. Не стоит здесь усматривать противопоставления теории и опыта. Чисто теоретически было открыто множество объектов, законов (например, электромагнитные волны, многие элементарные частицы, астрономические объекты и т. д.), но все эти открытия получили статус научных фактов только после экспериментального подтверждения. Такое понимание соотношения роли теории и практики в естествознании возникло не сразу. Лишь в раннем Средневековье в борьбе со схоластическими методами укрепилось требование экспериментальной проверки любых умозаключений, какими бы авторитетами они не высказывались и логически стройными и безупречными не казались. Наиболее ярко и кратко этот принцип сформулировал, пожалуй, английский мысливв. Фрэнсис Бэкон: «Критерий истины – практика» в своем труде «Новый Органон» (1620 г.), написанном, как бы, в продолжение и развитие знаменитого труда Аристотеля, точнее, сборника логических и методологических трудов «Органон» (от латинского - инструмент, орудие) в 4 веке до н. э. В более художественной форме этот же принцип выражен в знаменитой фразе И. Гете: «Теория, мой друг, суха, но зеленеет жизни древо».

6.  Принципиальная проверяемость любых положений (верифицируемость) – есть более общее выражение предыдущего критерия – экспериментального подтверждения теории. Представители всех направлений философии сходятся на том, что принцип проверяемости обязателен в науке (т. е. все существенные положения науки, утверждения, положения, законы должны допускать и даже предусматривать возможность проверки). Однако в отношении способов этой проверки и их значимости существуют различные воззрения.

Дело в том, что с диалектической точки зрения процесс познания есть движение от истин частных, относительных неполных, менее достоверных – к общим, абсолютным, полным и стопроцентно достоверным. При этом абсолютная истина рассматривается как идеал, как асимптотический предел, который в реальных условиях достигнуть невозможно. Поэтому как сама истина, так и ее подтверждение могут быть только относительными. Поэтому с точки зрения строгой формальной логики не возможность подтверждения чего-либо (верифицируемость), а принципиальная возможность подвергнуть критическому анализу (фальсифицируемость) является более корректным принципом. Впервые принцип фальсифицируемости как подлинный критерий научности был выдвинут К. Поппером и затем развит им же в книге «Логика и рост научного знания». Действительно, принимая во внимание неполноту и относительность любых знаний, невозможно ставить задачу логически безупречного, строгого доказательства этих истин. В то же время, если система знаний выстроена по критериям науки, то каждое ее положение в принципе можно подвергнуть фальсификации, т. е. предложить методы их критического анализа, проверок или опровержений.

7.  В предыдущем модуле уже шла речь о стремлении количественно охарактеризовать и описывать окружающую действительность. В современном естествознании количественные методы, математический аппарат играют большую и все возрастающую роль. Так что «математизация» знаний о природе - практически обязательное требование сегодня.

8.  В начале этого модуля обсуждалась роль моделирования как общенаучного метода изучения Природы. В связи с желанием «математизировать» естествознание, создание моделей того или того характера становится практически обязательным на всех стадиях исследования, будь то обдумывание идеи или мысленного эксперимента, натурной экспериментальной установки и опыта, обработки и интерпретации полученных результатов. Пытаясь выразить эту ситуацию в лаконичной форме афоризма, можно утверждать «Современное естествознание – это мир количественных моделей». Без разумного, осторожного, квалифицированного упрощения реальной ситуации, процесса, объекта никаких результативных математических подходов сделать невозможно.

9.Уже в Средние Века было очевидно, что лавинное нарастание различных фактов, данных, теорий требует их систематизации и обобщения. Иначе поток информации захлестнет и утопит принципиальные, ключевые положения в море частностей. Вместе с тем, новые понятия, объекты, принципы, «сущности» необходимо вводить в науку с величайшей осторожностью, тщательно проверяя, не сводятся ли они к уже известным, не являются ли всего лишь их разновидностями. Этот строгий фильтр оберегает науку от неоправданного распухания, делает ее в широком смысле «интернациональной», прозрачной, доступной для понимания и освоения разными слоями общества. Опасность противоположного подхода стала очевидной тоже на заре классического естествознания. В присущей тому времени афористичной форме требование лаконизма, общности, универсальности сформулировал английский философ 14 в. Оккам: «сущности не следует умножать без крайней необходимости» или в более вольном переводе «не изобретай лишних сущностей». Часто этот важнейший методологический принцип науки называют «бритвой Оккама», отсекающей лишние, непродуктивные и загромождающие науку искусственно введенные «сущности».

10.Необходимость интеграции, универсализации знаний, сведение их к как можно меньшему числу фундаментальных принципов – идеал, к которому стремились мыслители, начиная со времен Древней Греции. Одновременно в этом усматривали и высшую эстетичность науки, отражающую гармоничность устройства мира. «Сведение множества к единому – в этом первооснова красоты» - так лаконично формулировал этот принцип еще Пифагор за 5 веков до н. э.

11.Поскольку наука – это не свод закостеневших правил, законов, теорий, а динамически развивающийся и непрерывно обновляющийся живой организм, регулярно возникает вопрос о соотношении устоявшегося «старого» знания и появляющегося «нового». С одной стороны, если некоторый закон, теория, учение путем многочисленных проверок, контрольных экспериментов, приложений к практическим задачам получили статус не гипотезы, а достоверной истины, то они уже вошли в золотой фонд науки. С другой стороны, если появились новые данные или теории, противоречащие старым, но описывающие родственные явления лучше, полнее или те, которые не могли быть объяснены в рамках старых представлений, последние должны уступить место новому. Но как уступить? Просто тихо удалиться в архивы истории науки, освободив нишу, или оставаться в строю, но в другом качестве, определенным образом взаимодействуя с новыми представлениями? Трудно себе представить, чтобы, скажем, такая могучая теория как классическая механика сэра И. Ньютона, три века доказывавшая свою справедливость и плодотворность (как в мире движения пылинок, пушечных ядер, паровых двигателей, кораблей, так и в мире планет) оказалась ошибочной или ненужной после создания квантовой механики. Нильс Бор – гениальный датский физик – один из создателей квантовой механики, обдумывая эту проблему, сформулировал в 1918 г. важнейший методологический подход: принцип соответствия. Вкратце он заключается в том, что более универсальная новая концепция, теория (если она не спекулятивна, а справедлива в действительности), не должна перечеркивать хорошо освоенное и многократно проверенное старое учение, а вобрать его в виде частного случая (Рис. 3.3). При этом обычно легко можно сформулировать условия (границы применимости) внутри которых и старая (обычно более простая теория) будет давать правильные результаты. Их, конечно, можно получить и из более общей, но более сложной новой теории, но это не оправдано с точки зрения трудозатрат. В таком соотношении находится не только классическая и квантовая механика, но и, например, термодинамика равновесных систем и синергетика (теория самоорганизации в открытых неравно

Рис. 3.3. Иллюстрация принципа соответствия Н. Бора

весных системах), классический электромагнетизм Фарадея – Максвелла и квантовая электродинамика, механика движения с небольшими (сравнительно со скоростью света) скоростями и специальная теория относительности Эйнштейна (механика движения с околосветными скоростями), дарвинизм и генетика и многие другие разделы естествознания. Это конечно не исключает отмирания и забвения идей, понятий, теорий, не выдержавших испытаний экспериментом (например, теория теплорода, вечный двигатель и т. д.), но в подавляющем большинстве случаев противоречия в науке снимаются в согласии с принципом соответствия.

12.Открытость, общедоступность результатов (если только они не попадают под категорию государственных секретов, но таких данных, как правило, ничтожно мало по сравнению с общим массивом информации в науке). Стремлении быстрее опубликовать полученные результаты в как можно более читаемом и авторитетном журнале, доложить на конференции специалистов с мировыми именами, разослать оттиски опубликованных работ или даже неопубликованные данные – это свидетельство искренности намерений заниматься серьезной наукой, а не имитацией этой деятельности.

Этические и эстетические критерии в науке. Существуют конечно и другие, более размытые и менее определенные нормы, традиции и неписаные правила в научном сообществе. Как бы наука не старалась абстрагироваться от личностных, субъективных, эмоциональных подходов, оценок, она все равно остается не только миром идей, но и миром людей, с их амбициями, вольными или невольными заблуждениями, конфликтами и т. п. Поэтому за долгие века, в бесчисленных сражениях за приоритет, почести, звания, награды и привилегии выработались определенные, неписаные нигде нормы. Конечно, они являются всего лишь продолжением и частью общеэтических норм и традиций, но имеют и много специфичного. Как писал : «Печальные опыты доказали, что в деле истины познания и глубокая ученость не одно и тоже с беспристрастием и справедливостью».

В принципе, этика науки складывается из профессиональной этики и ее социального измерения – социальной ответственности ученого. Попробуем хотя бы перечислить и кратко прокомментировать профессиональные нормы.

1.Бесспорно, важнейшими принципами науки являются научная истинность, добросовестность, высокий профессионализм и бескорыстное служение истине.

2.Никто не может утверждать, что он сделал вклад или переворот в науке абсолютно независимо от других. Наука – это в той или иной мере коллективное творчество. У всякой идеи, всякой работы, публикации есть предшественники, так или иначе повлиявшие на ход и результаты данной работы. Великий Ньютон говорил: «Если я и видел дальше других, то только потому, что стоял на плечах гигантов» (что не мешало ему бороться за приоритет не всегда безупречными методами с Гуком и Лейбницем). Из этого следует, что, начиная излагать свой материал (письменно или устно – безразлично), обязательно следует сказать несколько слов о предыстории, динамике развития и состоянии проблематики, упомянуть людей, сделавших наиболее важный вклад в этой сфере, сделать ссылки на ключевые публикации. Помимо общей культуры - это еще и тест на компетентность в обсуждаемом вопросе. Трудно представить себе хорошего специалиста, не знакомого с тем, что уже сделано и над чем сейчас работают коллеги по творческому цеху. И напротив, новичкам, мошенникам или шарлатанам от науки, как правило, это и не известно и не кажется необходимым или существенным.

3.Любые заимствования должны сопровождаться полной ссылкой на автора. Иначе – это справедливо расценивается во всем мире как плагиат и преследуется не только по моральной линии, но и по правовой.

4.В связи с комплексным, коллективным, многофакторным характером научной работы, наличием разнообразных по характеру связей в научном сообществе проблемы авторства и соавторства в конкретном научном продукте должны решаться с максимальной деликатностью ввиду отсутствия четких критериев. Если не преследуются воспитательные цели в отношении начинающих, то состав авторского коллектива во избежание конфликтов, обид, неконструктивных диспутов должен включать всех, кто внес творческий вклад, хотя бы самый минимальный. Существуют также различные формы благодарности, выносимые в конце публикации, зачастую легко снимающие конфликты.

5.Каждый научный работник имел Учителей, формальных или неформальных, находившихся годы рядом или в другом городе, стране (иногда и не подозревая об этом). Их вклад в данную конкретную работу может быть трудно учитываем, но от этого он не становится менее важным. Предавать забвению своих Учителей, предшественников не только аморально, но и нерационально, поскольку обязательно бумерангом бьет по неблагодарным и не слишком щепетильным мастеровым (часто уже руками собственных учеников, имевших перед глазами соответствующие примеры).

6.Щедрость, открытость, готовность помочь, проконсультировать без расчета на какую-либо отдачу – признаки настоящего ученого. И напротив, подозрительность, закрытость, нежелание поделиться знаниями, как правило, свидетельство низкого научного и духовного уровня.

А вот как напутствовал начинающих научных работников известный советский математик :

·  Ищи истину и не затмевай своего сознания предвзятыми мнениями, авторитетами и личными соображениями;

·  Доказывай, а не только утверждай. Доказательство – в практике, наблюдении, опыте, эксперименте и в логическом выводе;

·  То, что доказано (другими), принимай, а не искажай, и отстаивай;

·  Но не будь фанатиком. Будь готов пересмотреть свое даже основанное на доказательстве убеждение, если того требуют новые аргументы из того же арсенала средств доказательства…

·  Истина утверждается доказательством, а не силой, не приказом, не внушением, ничем, что подавляет критическую способность того, кому доказывают.

Сложнее обстоит дело с социальной ответственностью ученых. Моральный долг людей науки воспрепятствовать использованию результатов во зло человеку. Однако у ученых не всегда есть для этого достаточно возможностей. Блокировать или байкотировать исследования, заключающие в себе потенциальную опасность для человечества долго тоже невозможно. Всегда найдутся люди, готовые продолжить их в секретных лабораториях. Да и далеко не всегда ясно даже самим первооткрывателям как может быть использовано на практике их открытие. С другой стороны, поступательное развитие науки все равно остановить невозможно. Открываемые законы природы не могут быть априорно «плохими» или «хорошими», вредными или полезными. Таковыми могут быть только последующие их применения, ответственность за которые, как правило, несут люди далекие от науки.