Методы естествознания, всеобщность его законов. Системный подход

Природа есть сложная система, сложный организм, где все связано со всем. По выражению современного философа К. Яспер-са, «существуют отдельные науки, а не наука вообще как наука о действительном, однако каждая из них входит в мир беспредельный, но все-таки единый в калейдоскопе связей». Аналитический метод и выделение какой-то стороны предмета или явления — наиболее критикуемые стороны научного метода познания. Наука с самого начала стала отвлекаться от вопросов «почему?» и вопросов общего характера, занявшись исследованием «как все происходит?». Путь аналитического естествознания, заданный Ньютоном, превратил общие соображения в четко поставленную математическую задачу, и ученый, не вдаваясь в выяснение физической природы тяготения, решил ее разработанным им же математическим методом.

И. Ньютон пишет: «Причину же этих свойств силы тяжести я до сих пор не мог вывести из явлений, гипотез же я не измышляю… Довольно того, что тяготение на самом деле существует и действует согласно изложенным выше законам и вполне достаточно для объяснения всех движений небесных тел и моря…». На склоне лет он сказал своему племяннику: «Не знаю, кем я кажусь миру, но самого себя я вижу всего лишь мальчиком, играющим на берегу океана, который забавляется, выбирая то обкатанный камешек, то красивую раковину, в то время как необъятный океан истины простирается передо мною, уходя в неведомые дали».

Научный метод независимо от конкретных приемов и способов исследования в разных научных дисциплинах отражает единство всех форм знаний об окружающем мире. Исторически сложились общие требования к последовательности действий в труде; с появлением потребности получения знаний возникла потребность в анализе и оценке разных методов — методология. Можно сказать, что конкретные научные методы отражают тактику исследований, а общенаучные — стратегию.

Теории — основная форма научного знания. Их разделяют на описательные, научные и дедуктивные. С содержательной стороны они состоят из эмпирического базиса и логического аппарата теории, а с формальной — это совокупность допущений, аксиом, постулатов, общих законов.

В описательных теориях, выделив группу явлений или объектов, формулируют общие закономерности на основе эмпирических данных. Эти теории носят качественный характер, так как не проводится логический анализ и корректность доказательств. Таковы первые теории в области электричества и магнетизма, физиологическая теория И.Павлова, эволюционная теория Ч.Дарвина, современные психологические теории и т.п. В научных теориях конструируют идеальный объект, замещающий реальный. Обычно они основаны на нескольких аксиомах, принимаемых без доказательств, из которых логически выводятся остальные положения. Часто к основным аксиомам добавляют гипотезы. Следствия теории проверяются экспериментом. Таковы физические теории, использующие логику и достаточно строгий математический аппарат. Третий тип — дедуктивные теории. Первая из них — «Начала» Евклида (сформулирована основная аксиома, потом к ней добавлены положения, логически выведенные из нее, и все доказательства проводятся на этой основе). В таких теориях разработан специальный формализованный язык, все термины которого подвергаются интерпретации.

Понятия и термины теории формируются в процессах абстрагирования и идеализации, используемых во всех теориях. Понятия отражают существенную сторону явлений, появляющуюся при обобщении исследования. При этом из целого объекта или явления выделяется только некоторая сторона его, понятие может быть сформировано на основе опыта или теории. Так, понятию «температура» может быть дано операционное определение (показатель степени нагретости тела в определенной шкале термометра), а с позиций молекулярно-кинетической теории температура — это величина, пропорциональная средней кинетической энергии движения частиц, составляющих тело.

При абстрагировании игнорируют свойства объекта, которые считают несущественными. Таковы модели точки, прямой линии, окружности, плоскости, материальной точки и т.д. Реальные объекты в каких-то задачах могут быть заменены этими абстракциями. Землю при движении вокруг Солнца можно считать материальной точкой, но нельзя — при движении по ее поверхности.

При идеализации выделяют какое-то свойство или отношение, и возникающий в результате идеальный объект обладает только этим свойством или отношением. Наука выделяет в реальной действительности общие закономерности, которые существенны и повторяются в различных предметах, поэтому приходится идти на отвлечения от реальных объектов. Таковы популярные модели «абсолютно черного тела», «идеального газа», «сплошной среды» и т. д.

Но при применении теории необходимо вновь сопоставить полученные и использованные идеальные и абстрактные модели с реальностью, т.е. исключить абстракции. Поэтому важны выбор абстракций в соответствии с их адекватностью данной теории и последующее исключение их.

Наблюдения еще не связаны с какой-либо теорией, но формулировка вопросов вызвана какой-то проблемной ситуацией. Наблюдение предполагает наличие определенной программы исследования, какой-то пробной гипотезы, подвергаемой анализу и проверке. На наблюдениях и аналогиях строилась натурфилософия. Наблюдения и ныне — начальный источник информации, целенаправленный процесс восприятия предметов или явлений. Они используются там, где нельзя поставить прямой эксперимент, например в вулканологии или космологии. Каждая наука использует свои методы познания мира в зависимости от характера решаемых задач. Сначала на опытной стадии за систематическими наблюдениями следует специально поставленный эксперимент, в котором производятся измерения. Сравнение и измерение — частные случаи наблюдения.

Как метод научного познания анализ — одна из начальных стадий исследования, когда от цельного описания объекта переходят к его строению, составу, признакам и свойствам; он основан на мысленном или реальном расчленении предмета на части. Синтез заключается в соединении различных элементов предмета в единое целое и обобщении выделенных и изученных особенностей объекта; результаты синтеза входят в теорию объекта, определяющую пути дальнейших исследований. Индукция состоит в формулировании логического умозаключения на основе обобщений данных эксперимента и наблюдений. Эти обобщения рассматриваются как эмпирические законы. Логические рассуждения идут от частного к общему, обеспечивая лучшее осмысление и переход на более общий уровень рассмотрения проблемы.Индуктивный метод используют при решении задач, связанных с систематизацией, классификацией, научным обобщением. Дедукция — метод познания, состоящий в переходе от некоторых общих положений к частным результатам. Этим методом выявляют конкретное содержание выдвинутых предположений или гипотез. Дедуктивный метод лежит в основе современных методологий (например, системного анализа). Гипотеза — предположение или предсказание, выдвигаемое для разрешения неопределенной ситуации. Она должна объяснить или систематизировать некоторые факты, относящиеся к данной области знания или находящиеся за ее пределами, но не должна противоречить уже существующим. С гипотезой имеет сходство аналогия.

При количественном сопоставлении исследуемых свойств, параметров объектов или явлений говорят о методе сравнения. В некотором смысле метод сравнения противоположен методу аналогии, поскольку выделяет отличия. Метод сравнения составляет основу любых измерений, т.е. основу всех экспериментальных исследований и науки в целом.

Гипотеза должна быть подтверждена или опровергнута. Процесс установления истинности гипотезы на опыте называют верификацией. Если опыт не опровергает гипотезу, должна быть выдвинута альтернативная гипотеза. Так, гипотеза М. Планка о квантовом характере испускания света привела к созданию квантовой механики; гипотезы де Бройля (корпускулярно-волновой дуализм материи) и Н.Бора (модель строения атома) обобщали многие факты и потом были подтверждены. Гипотеза Г. Гельм-гольца о дальнодействующем характере электрических явлений была опровергнута экспериментом Герца, обнаружившим ток смещения, отделившийся от источника тока. Это подтвердило введение Дж. Максвеллом тока смещения в уравнения поля из соображений симметрии.

Эксперимент, поставленный вслед за наблюдениями, уже выделяет интересующее явление среди других; предполагает опытное определение параметров исследуемых явлений или объектов. Галилей проверял гипотезы экспериментом, производил измерения и обрабатывал результаты математически. Измерения позволяют поставить физическим величинам в соответствие некоторые числа. С той поры, названной Новым временем, измерения проводятся более точно, их результаты обрабатываются специальными вычислительными приемами, да и сами эксперименты усложнились технически. И многие науки изменили свой облик.

Из предварительной гипотезы путем логики выводят следствия, которые и проверяют с помощью наблюдений и экспериментов. Но все измерения проводятся с определенной точностью, и, как выяснилось в XX в. при изучении микромира, не всегда ее можно повысить и не всегда условия эксперимента можно точно повторить. Меняется и понятие средней величины. Если над телами сложно или невозможно провести эксперимент, все чаще пользуются косвенными экспериментами.

Создание моделей — основа многих научных концепций, адекватность моделей подтверждается опытом или практикой. Моделирование обычно упрощает изучаемое природное явление, касаясь лишь некоторых его сторон. Иначе, по мнению одного из основоположников кибернетики, английского математика А.Тьюринга, сложность изучения идентичной объекту модели будет соответствовать сложности самого объекта исследования. Физическое моделирование опыта широко применяют в гидро- и аэродинамике, где разработаны соотношения подобия для тех или иных потоков. Помимо модельного эксперимента в этих случаях проводят мысленный эксперимент. В таких экспериментах оттачивается представление об идеальной модели явления; они имели место в рассуждениях Г. Галилея, И. Ньютона, А. Эйнштейна. Распространено и математическое моделирование, предполагающее формирование систем уравнений, которые описывают исследуемое природное явление, и их решение при различных начальных или граничных условиях. В последнее время в эти уравнения вводят вероятностные оценки некоторых параметров, изменяемых случайным образом. Такие уравнения решают с помощью компьютерной техники. Иногда данные методы называют вычислительным экспериментом или имитационным математическим моделированием.

Обращение к теории как к более высокому уровню научного исследования завершает научные исследования. На этой стадии прибегают к формированию понятий и абстракций, строят теории и новые гипотезы, и, проверяя экспериментально выводы из них, приходят к формулировке законов природы. Но не всякое подтверждение гипотезы опытом подтверждает ее истинность. Поэтому необходимо найти много следствий гипотезы или теории, которые подтверждаются опытом (рис. 1.1). В естествознании результаты эксперимента — решающий аргумент признания теории. В основе методов естествознания — единство эмпирической и теоретической сторон. Они взаимно связаны и взаимообусловлены. Методы разделяют на три группы:

общие, касающиеся любой науки, — фактически общефилософские методы познания природы. Эти методы могут связывать все стороны процесса познания (например, единство логического и исторического или восхождения от абстрактного к конкретному);

особенные, связанные лишь с какой-то одной стороной изучаемого предмета (например, анализ, синтез, дедукция, индукция, измерение, сравнение, эксперимент);

частные, действующие в определенной области знаний.

Но в процессе развития науки научные методы могут переходить из одной группы методов в другую. Например, многие частные методы физики перешли в другие области знаний и привели к созданию биофизики, физической химии, геофизики, астрофизики и др. Многие методы химии используют как в биологии, так и в физике. Законы термодинамики дали основу понимания хода химических реакций. Впоследствии термодинамика охватила теорию упругости, учение об электричестве и магнетизме, возникла теория электролитической диссоциации. Создание молекулярной биологии, изучающей проявление жизни на молекулярном уровне, отражает понимание того, что многие важные процессы, считавшиеся монополией биологии (дыхание, ощущение, раздражение), являются химическими процессами. Химическую природу имеет и процесс деления клетки. Но жизнь не сводится к физико-химическим процессам. Физики расшифровали рентгенограммы молекулы ДНК и сумели проникнуть в самые сложные тайны жизни.

Статистические методы, позволяющие получить средние значения измеряемых величин для общей характеристики изучаемых явлений, получили широкое распространение. Изобретение Ньютоном и Лейбницем дифференциального и интегрального исчислений, развитие методов статистической обработки результатов опыта способствовали использованию математики во всех областях естествознания. Была «непостижима эффективность применения математики», но по ее законам были «на кончике пера» открыты планеты Нептун и Плутон, ток смещения в уравнениях Максвелла, электромагнитная природа света, нестационарность модели Вселенной А. Фридмана, обнаружено красное смещение в спектрах далеких галактик и многое другое. Природа таких математических предсказаний реальности вызывает многочисленные философские дискуссии.

Развитие математики и появление ЭВМ позволили решать невероятно сложные нелинейные уравнения теории с огромным числом взаимосвязанных параметров. Такие уравнения описывают сложные системы, более реальные, чем идеальные модели классической науки. Созданы совершенно новые разделы математики — кибернетика, теория катастроф и др. И от статических моделей систем, находящихся почти в равновесии, переходят к моделированию сложных систем в далеких от равновесия состояниях. Широко используют понятия случайности, вероятности, выбора варианта развития, эволюции, скачкообразных переходов. Необратимость процессов, существование обратных связей и нелинейность стали главными доминантами современного описания процессов.

Системный подход используют, когда каждое явление или предмет рассматривается как часть целостного организма. Взаимодействие частей друг с другом придает системе свойства, которых нет у ее отдельных элементов. Это свойство систем называют эмерджентностью, и оно фактически является определяющим для системы. Все компоненты системы находятся в тесной взаимосвязи. Совокупность этих взаимосвязей и взаимодействий, обеспечивающую возникновение целостных свойств всей сложной системы, называют ее структурой. Выделение системы из других, с которыми она взаимодействует непосредственно, приводит к понятию окружающей среды. Второе важное свойство систем — иерархичность любого системного образования, т.е. существование различных взаимосвязанных структурных уровней рассмотрения систем. Строение системы определяется ее компонентами — подсистемами и элементами. Так, живой организм состоит из пищеварительной, нервной, дыхательной и других подсистем; подсистемы — из органов, органы — из тканей, ткани .— из клеток, клетки — из молекул. По подобному иерархическому принципу построены многие системы.

Третьим важнейшим свойством систем является их открытость, т. е. степень связанности с внешней средой. Все реальные системы в природе являются открытыми т. е. взаимодействующими с окружающей средой путем обмена веществом, энергией или информацией. Последний обмен имеет место в живых, социально-экономических и других системах. При полном отсутствии связей с окружающей средой говорят о том, что система изолирована, и никакое взаимодействие с ней невозможно в принципе. Поскольку это представление абстрактно, можно говорить лишь о степени изолированности системы от окружающей среды. Если внешний мир влияет на систему, а система не откликается на внешнее воздействие, то ее называют закрытой. Полная определенность и предсказуемость описания и поведения систем характеризуется детерминированностью. Это свойство является некоей удобной при расчетах идеализацией, поскольку все явления обладают стохастично-стью (вероятностным характером протекающих процессов).

Стационарность — следующее важное свойство систем. Стационарны системы, параметры которых не меняются во времени. Но таких систем в природе тоже не бывает (за исключением внутренних областей звезд типа черных дыр), поэтому определяют интервал времени, в течение которого система может считаться стационарной. Большинство систем являются нестационарными.

Устойчивость отражает свойство системы возвращаться в равновесное состояние после прекращения внешних воздействий. Это свойство может исчезать при изменении внешних условий или самой системы. Поэтому приобрело большое значение определение границ устойчивости систем. Вблизи этих границ система находится в неравновесном состоянии, что может служить одним из условий возникновения в ней перестройки и появления самоорганизации и являться, в свою очередь, основой для системной эволюции.

При различных нестационарных процессах может проявляться другое свойство систем — колебательность, или способность систем к периодическому изменению своих параметров при приближении к новому состоянию. В некотором роде это свойство связано с консерватизмом систем. Свойство систем сопротивляться воздействию окружающей среды характеризуется инерционностью. Инерционность отражает консерватизм природы и присуща всем системам, хотя и в разной степени. Мерой инерционности в механике служит масса, в электродинамике — индуктивность, в биологии — наследственность. Эти последние два свойства выделяются как динамические среди прочих общесистемных свойств.

Фундаментальная роль системного подхода заключается в его междисциплинарности, с его помощью единство знания достигается наиболее полно. Системный подход дает возможность рассматривать проблему как бы сверху, с более высокого уровня системной иерархии; решать сложную проблему как систему в целом, во взаимосвязи ее с другими проблемами и большим числом внешних и внутренних связей. Это позволяет выбрать наиболее оптимальный путь решения проблемы, реализуя общенаучный метод дедукции, — от общего рассмотрения сложной проблемы к частному оптимальному ее решению. Возможность использовать общий подход к процессам управления в системах различной природы ненова, этим занимается кибернетика. В ней создан мощный аппарат количественного описания процессов, основанный на методах теории информации, теории динамических систем, теории алгоритмов и теории вероятностей. Рассмотрение управляемых систем в развитии изменило подходы к их изучению. Управляющие воздействия могут переводить управляемую систему в одно из возможных состояний, появляется выбор возможного изменения, а потенциальной возможностью к управлению обладают организованные системы. Так, на первый план вышли проблемы устойчивости систем, наличие прямых и обратных связей. О важности проблем, решаемых методами системного анализа, свидетельствует факт создания в Российской академии наук специального Института системного анализа. Использование системного подхода не только в естествознании, но и в общественных науках имеет большое мировоззренческое значение.

«Попытка понять Вселенную — одна из вещей, которые приподнимают человеческую жизнь над уровнем фарса и придают ей черты высокой трагедии», — писал американский физик, лауреат Нобелевской премии Стивен Вайнберг. Потому проблемы мироздания так притягивают к себе, заставляя разбираться в огромном числе разных фактов, наблюдений и связывать их воедино. Фундаментальная наука влечет людей по разным причинам. Это и наслаждение удовлетворением собственного любопытства, и осознание своего вклада в человеческую культуру, и священное чувство приобщения к великому наследию многих поколений великих ученых.

Культурная ценность науки — основной движущий мотив труда ученых. Потребность создать гармоничную картину мира и осознать свое место в нем имеет всеобщий универсальный характер. Ради этой цели общество выбрало путь рационального объяснения природы. Сам процесс научной работы, изучение экзотических и казалось бы, далеких от нас областей микро- и макромира отражают рационалистический подход к восприятию мира, присущий обществу. Открываются удивительные взаимосвязи: в далеком космосе найдены органические молекулы, а изучение нейтринных пучков, получаемых на ускорителях, меняет взгляды на эволюцию Вселенной. Они показывают единство мира природы. Эти представления являются общими для разных культур, основы их идут от философов Древней Греции — Природа экономна, в ней действуют единые законы. Представление об единстве науки способствовало укреплению веры в единство человечества.

Понимания Вселенной мы, возможно, могли бы достичь, если бы сумели свести наблюдаемые факты к простейшим понятиям, пользуясь небольшим числом фундаментальных частиц и фундаментальных взаимодействий, в которые они могли бы вступать.