2.1. Формирование теоретической схемы как гипотезы. В развитой науке теоретические схемы вначале строятся как гипотетические модели. Такое построение осуществляется за счет 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 путем непосредственной схематизации опыта. Но затем они используются в функции средств 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 еще не выработано достаточных средств. Тогда объекты начинают изучаться экспериментальным путем, и на этой основе постепенно формируются необходимые идеализации как средства для построения первых теоретических моделей в новой области исследования. Примером таких ситуаций могут служить ранние стадии становления теории электричества, когда физика формировала еще только самые исходные понятия - «проводник», «изолятор», «электрический заряд» и т. д. - и тем самым создавала условия для построения первых теоретических схем, объясняющих электрические явления.
Подчеркнем особо, что большинство теоретических схем науки конструируются не за счет прямой схематизации опыта, а методом трансляции уже созданных абстрактных объектов. Чтобы выявить эту специфику построения теоретических моделей, обратимся к конкретному материалу истории физики. Известно, что одним из важных этапов становления классической электродинамики было открытие Майклом Фарадеем (1791-1867) явления электромагнитной индукции. Многочисленные эксперименты по изучению этого физического феномена (опыты с магнитом, который при движении относительно замкнутого провода порождал в нем индукционный ток, аналогичные опыты с соленоидами и проводами различной конфигурации, опыт Араго и т. д.) были объяснены Фарадеем в рамках закона индукции. Согласно этому закону, когда проводящее вещество, движущееся относительно потока магнитных силовых линий, пересекает его, то в проводящем веществе возникает электродвижущая сила (эдс).
Данный закон выражал корреляции между абстрактными объектами теоретической схемы, которая характеризовала электромагнитную индукцию через отношение абстрактных объектов «магнитные силовые линии » и «проводящее вещество ». Присмотримся, однако, более внимательно, откуда взялись эти объекты. Они не содержались внутри эмпирических схем индукции, а были перенесены из других областей теоретического знания. Известно, что английский физик заимствовал конструкт «магнитные силовые линии » из смежной области теоретического знания, которая была введена для объяснения опытов магнитостатики (исследование возможных ориентаций миниатюрных магнитных стрелок в поле действия постоянных магнитов и токов). Другой же абстрактный объект — «проводящее вещество » — был перенесен им на области знаний о токе проводимости. Эти объекты были «погружены» в новую систему отношений, благодаря чему приобрели новые признаки.
В новом экспериментальном контексте конструкт «магнитные силовые линии» приобрел признак «вызывать электродвижущую силу (эдс) в проводящем веществе» (тогда как раньше, в знаниях магнитостатики, он определялся только по признаку воздействия на пробный магнит). Другой теоретический конструкт «проводящее вещество», который ранее репрезентировал только свойства проводников, связанные с действием тока проводимости, оказался наделенным новым признаком — «возникновением в проводнике эдс индукции». Как видим, наделение данных конструктов новыми признаками означало перестройку прежних абстрактных объектов, поскольку каждый из них определялся только как носитель некоторых жестко фиксированных признаков. Таким путем наука сформировала первоначальный вариант теоретической схемы электромагнитной индукции,
При внимательном рассмотрении можно обнаружить, что аналогичные способы построения теоретических схем встречаются в физике буквально на каждом шагу. Рассмотрим, например, под этим углом зрения резерфордовскую модель атома. Нетрудно установить, что ее базовые элементы (абстрактные объекты) — «ядро как центр потенциальных отталкивающих сил » и «электрон » — были заимствованы из уже сложившихся областей теоретического знания. В частности, конструкт «положительно заряженный центр потенциальных отталкивающих сил » был перенесен из электродинамики и определен по отношению к идеальной частице и электрону как атомное ядро. «Электрон » также был взят из классической электродинамики и при погружении его в новую систему отношений был наделен новым признаком - «вращаться вокруг ядра». За счет названных выше внутритеоретических операций и была создана гипотеза о планетарном строении атома, предназначенная для объяснения экспериментов в атомной области.
Изложенный выше материал дает нам основание сделать вывод, что в развитых формах научного исследования теоретическая схема создается путем соединения в некой новой «сетке» связей абстрактных объектов, почерпнутых из других областей знания. Можно, стало быть, заключить, что построение теоретической схемы на стадии гипотезы в классической науке начиналось с картины мира, которая помогала поставить задачу исследования и указывала средства ее решения. Вводя общие представления о структуре природных взаимодействий, картина мира тем самым указывает, какие области науки имеют сходные предметы исследования. Так возникает своего рода «подсказка», откуда транслировать абстрактные объекты как строительный материал для будущих теоретических схем. В то же время картина мира помогает отыскать и предварительную сетку отношений, структуру, с которой должны быть соединены такие объекты. Средством для переноса указанной структуры служит использование теоретических схем одной научной области в качестве аналоговых моделей для другой области исследования.
В рассмотренных выше случаях такая структура вводилась в форме наглядного представления о связях, которым должны удовлетворять абстрактные объекты новой области знаний, подставляемые вместо прежних элементов в аналоговую модель. Это, например, представление о движении материальных точек вокруг центрального тела, введенное в небесной механике и использованное при построении планетарной модели атома; или картина движения магнитных силовых линий, пересекающих тела, которую М.Фарадей экстраполировал из области магнитостатики на область явлений электромагнитной индукции (для создания гипотетической схемы электромагнитной индукции достаточно было подставить в аналоговую модель, заимствованную из магнитостатики, вместо конструкта «тело вообще » новый абстрактный объект — «проводящее вещество, в котором возникает индукционная здс»). В обоих приведенных примерах структура, в которую должны быть «погружены» абстрактные объекты создаваемой теоретической схемы, выражалась в виде наглядного образа корреляции между элементами аналоговой модели и фиксировалась посредством содержательных описаний типа: «материальные точки вращаются вокруг притягивающего центра», «силовые линии пересекают тела» и т. д.
2.2. Обоснование гипотезы. Подчеркнем, что гипотетические модели обретают статус теоретических представлений о некоторой области взаимодействий только тогда, когда пройдут через процедуры эмпирического обоснования. Это особый этап построения теоретической схемы, на котором доказывается, что ее первоначальный гипотетический вариант может предстать как идеализированное изображение структуры, выражающей существенные черты именно тех экспериментально-измерительных ситуаций, в рамках которых выявляются особенности изучаемых в теории взаимодействий. Нам представляется, что в исследованиях по методологии науки не всегда обращают достаточного внимания на эту сторону дела и ограничиваются лишь простой констатацией того факта, что вводимая теоретическая модель принимается за изображение структуры исследуемого объекта в том случае, если выведенные в ее рамках предсказания эмпирических зависимостей согласуются с зависимостями, полученными на базе реального эксперимента.
Естественно, что приведенное выше утверждение не содержит ничего принципиально неверного, однако в силу своего чисто описательного характера оно не указывает путей к объяснению предсказательных функций теоретической схемы и не вскрывает объективных истоков ее содержания. При конструировании ее гипотетического варианта исследователь наделял абстрактные объекты, которые использовал в качестве исходного материала для построения теоретической схемы, новыми, пока еще только предварительными признаками. Вместе с тем, теоретический закон, выражающий связь между указанными гипотетическими признаками абстрактных объектов, на этом этапе исследования тоже является гипотезой. На первый взгляд может показаться, что его легко можно обосновать, проверив в экспериментах предсказания, полученные на основе закона. В действительности же такое обоснование - отнюдь не простая процедура.
Рассмотрим с этой точки зрения конкретную ситуацию обоснования гипотетически введенного закона, имевшую место в реальной истории науки. Обратимся к тому периоду развития электростатики, когда Шарль Кулон (1736-1806) проверял в опыте справедливость гипотетически введенного уравнения для взаимодействия наэлектризованных тел. Хорошо известно, что в опытах с крутильными весами французский ученый получил эмпирическую зависимость, которая совпадала с гипотетическим законом для зарядов (еще раз подчеркнем, что французский физик не выводил своего закона только из экспериментов; приступая к эксперименту с крутильными весами, он уже имел некую гипотезу, которую проверял опытными фактами). Однако переход от гипотетического уравнения к его проверке в эксперименте был отнюдь не простым шагом.
Как известно, в опыте ученый оперировал с объемными шарообразными наэлектризованными телами. Закон же Кулона, введенный в качестве гипотезы вместе с моделью взаимодействия зарядов, был сформулирован не для протяженных тел, а для точечных зарядов (в данном случае мы будем использовать современный термин «заряд» вместо тяжеловесного кулоновского понятия - «порция электрического флюида заданной плотности»). И, строго говоря, было неясно, можно ли переходить от величины точечного заряда к величине заряда, распределенного по объему некоторого тела. Иными словами, для того чтобы проверить гипотетический закон, нужно было иметь обстоятельную рецептуру связи между ним и величинами, измеряемыми в опыте. А как раз этой рецептуры у Кулона вначале не было.
Чтобы получить ее, нужно было доказать, что гипотетическое свойство заряда «быть точечным » не противоречит тем характеристикам взаимодействия заряженных тел, которые были выявлены в реальных экспериментах электростатики. Доказательство такого рода состояло во введении точечного заряда как особой идеализации, опирающейся на реальные эксперименты электростатики. Из экспериментов было известно, что заряд распределяется по поверхности тела. Далее было доказано, что в разных по объему телах можно сконцентрировать заряд одинаковой плотности, а в одном и том же теле - заряды разной плотности. Опираясь на эти свойства, можно было осуществить следующий мысленный эксперимент: уменьшая объем тела, сохранять в нем заряд одной и той же плотности и в идеале перейти к бесконечно малому объему заряда.
Итак, гипотетическая модель взаимодействия точечных зарядов оказалась обоснованной в качестве идеализированной схемы реальных опытов. Из этого обоснования как раз и следовал рецепт связи между величиной точечного заряда и величиной заряда, распределенного по объему тела. Получалось, что если выбрать достаточно малое шарообразное заряженное тело, то оно должно взаимодействовать с другим заряженным телом так, будто их заряды расположены в центре тел. Значит, в опыте можно было проверять взаимодействие тел, заряженных некоторым количеством электричества, измеряя расстояние между центрами тел, и изучать, как меняется электрическая сила в зависимости от расстояния.
Приведенный выше материал свидетельствует, что процедура обоснования гипотетически введенной модели предполагает особую проверку признаков, которыми были наделены ее абстрактные объекты. Эти объекты как бы заново «выстраиваются» путем идеализации реальных экспериментов, для объяснения и предсказания которых предназначалась модель. После этого гипотетическая модель предстает в качестве идеализированной схемы реальных экспериментально-измерительных ситуаций той области взаимодействий, на объяснение которой она претендует. На основании этого можно заключить, что такое обоснование превращает гипотетическую модель в теоретическую схему данных взаимодействий.
В соответствии с изложенным выше можно, пока, правда, в самом общем виде, сформулировать основные требования, которым должно удовлетворять обоснование гипотетической модели. Предположив, что она применима к новой, еще не освоенной теоретически предметной области, исследователь тем самым допускает, во-первых, что гипотетические признаки абстрактных объектов модели могут быть сопоставлены с некоторыми отношениями предметов экспериментальных ситуаций именно той области, на объяснение которой претендует модель; во-вторых, что такие признаки совместимы с другими определяющими характеристиками абстрактных объектов, которые, в свою очередь, были обоснованы предшествующим развитием познания и практики. Отметим, что правомерность таких допущений следует доказывать специально. Это доказательство производится путем введения абстрактных объектов как идеализаций, опирающихся на новый опыт. Как видим, гипотетически введенные признаки абстрактных объектов получают в рамках мысленных экспериментов, соответствующих особенностям реальных экспериментально-измерительных ситуаций, которые, собственно говоря, и призвана объяснить вводимая теоретическая модель. Далее проверяют, согласуются ли новые свойства абстрактных объектов с теми, которые уже оправданы предшествующим опытом.
Нетрудно обратить внимание, что в этом процессе обоснования теоретической модели автоматически создаются операциональные определения тех основных физических величин, которые фигурируют в формулировке закона. Операциональные определения предстают как характеристики идеализированного эксперимента и измерения, в рамках которых вводится соответствующая величина, и описание способов построения соответствующего идеализированного эксперимента на базе тех реальных экспериментов и измерений, которые обобщает теория. Можно установить, что посредством этого достигается связь физических величин, введенных в уравнениях теории, с опытом; в теории появляется рецептура этой связи, создаются правила соответствия. Весь этот комплекс операций, обеспечивающий обоснование признаков абстрактных объектов теоретической модели опытом, можно назвать конструктивным введением абстрактных объектов, а теоретическую схему, удовлетворяющую данным процедурам, - конструктивно обоснованной.
2.3. Построение развитой научной теории. Итак, введение теоретических схем в качестве гипотез с их последующим конструктивным обоснованием - главная когнитивная процедура в генезисе теоретических знаний. Эта процедура определяет не только процесс становления частных теоретических схем, но и переход от них к развитой теории. В качестве некоего предваряющего замечания отметим, что в классической физике создание развитой теории начиналось обычно после того, как отдельные аспекты изучаемых взаимодействий отображались в некотором наборе частных теоретических схем и законов.
Первая фундаментальная теория физики - ньютоновская механика — создавалась как обобщение теоретических моделей и законов таких видов механического движения, как колебание маятника, свободное падение тел, движение тел по наклонной плоскости, движение планет (законы Кеплера) и т. д. Аналогичная ситуация наблюдается в истории термодинамики и классической электродинамики, где отдельные аспекты изучаемых процессов были выражены в развитой сети частных теоретических схем и законов задолго до того, как были построены первые обобщающие теории этих разделов физики.
Итак, развитая теория строится на основе синтеза частных теоретических схем. Последние включаются в состав теории в трансформированном виде и предстают как выводимые (конструируемые) из ее фундаментальной теоретической схемы. Соответственно, все частные теоретические законы выступают как следствие фундаментальных законов теории. Логично поставить вопрос: каким путем создается ядро развитой теории - ее фундаментальная теоретическая схема и связанные с ней уравнения, выражающие основные законы теории?
Попытаемся проанализировать два возможных варианта формирования развитой теории. Можно допустить, что фундаментальная теоретическая схема и связанный с ней математический аппарат вводятся в качестве гипотез в уже развитой форме, а затем обосновываются теми частными теоретическими схемами и законами, которые теория должна включить в свой состав. Но возможно и иное предположение, согласно которому формирование фундамента развитой теории происходит постепенно, путем последовательного синтеза сначала некоторых близлежащих законов, обобщаемых в теории, а затем и законов, относящихся к более отдаленным областям исследуемых в теории взаимодействий.
Можно обратить внимание, что история классической физики свидетельствует, скорее, в пользу второго предположения. Она показывает, что уже после построения ряда частных теоретических схем начинается процесс их экстраполяции на смежные области знания, с тем чтобы унифицировать законы, описывающие определенную область взаимодействий, и объяснить все явления этой области с единой точки зрения. На этот счет можно привести достаточно много исторических примеров. В частности, характерен вывод Галилеем законов колебания как особого случая закона движения по наклонной плоскости. Также весьма показательна предпринятая Ампером (1775-1836) попытка представить в качестве базисного закона электродинамики закон силового взаимодействия токов и вывести отсюда в качестве следствий закон Био-Савара и закон Кулона для магнитных полюсов.
Полагая, что такого рода синтез является нормой построения теории, по крайней мере для этапа классической физики, определим центральный аспект этого синтеза. Для развитой физической теории всегда характерна относительно высокая стадия математизации, и поэтому построение математического аппарата обычно считается ключевой задачей теоретического обобщения. Однако нельзя упускать из виду и вторую, не менее важную сторону, а именно связь математического формализма с теоретическими схемами, которые обеспечивают его интерпретацию. Отсюда при анализе исторического материала следует особое внимание обратить на связь между этими двумя аспектами познавательного движения (построением математического аппарата и построением его интерпретации)[3].
Хотелось бы предупредить, что одной из опасностей, которая подстерегает методолога науки при рассмотрении проблемы становления научной теории, является экстраполяция на любую разновидность теоретического синтеза выявленных современной наукой и распространенных в ней методов теоретического обобщения. Заметим, что такая экстраполяция может быть осуществлена совершенно неосознанно, под влиянием сложившейся традиции, но она будет в серьезной степени мешать обнаружению путей теоретического поиска, характерных для каждого этапа развития науки. В конечном итоге, это может затруднит решение главной методологической задачи: установить, что меняется в приемах построения теоретических знаний в ходе эволюции физики и каковы инварианты исторически меняющихся форм познавательной деятельности, т.е. ее устойчивые и повторяющиеся черты, которые принадлежат к общим закономерностям теоретического исследования.
Чтобы избежать следования тем или иным предвзятым мнениям относительно методов построения развитой теории на том или ином этапе эволюции физики, следует обратиться к анализу реального исторического материала. Этот материал, думается, следует черпать не столько в учебниках или пособиях по истории физики, главная задача которых дать сжатое описание основных этапов эволюции физики (эмпирических и теоретических открытий) и создать общую картину ее исторического развития, сколько в оригинальных текстах самих творцов научных теорий, текстах, запечатлевших реальные результаты движения их творческой мысли. Именно такие тексты служат основным эмпирическим базисом, на котором историк науки и методолог проверяют свои гипотезы.
словарь терминов
ГИПОТЕЗА - любое утверждение (или система утверждений) эмпирического или теоретического характера, относительно истинности которого, роли и существенности в наличной системе знания решение пока не принято.
НАУЧНАЯ ПРОБЛЕМА - принципиальный вопрос относительно конкретного предмета научного исследования, его сущности, способов осмысления, практического использования и преобразования. В качестве необходимого исходного пункта научного исследования предложена и обоснована К. Поппером, трактовавшим научное познание как процесс выдвижения и отбора предполагаемых решений (гипотетических ответов) поставленной проблемы. Философ противопоставил свою модель научного познания как множества проблем (загадок) и их возможных решений классическим моделям научной деятельности, согласно которым исходным пунктом научного познания выступает некий внеположенный научному знанию «объект науки». Научная проблема является выражением субъект-объектных отношений, ее адекватное осмысление невозможно только в рамках логики и методологии науки, но требует также привлечения аналитических средств социологии и психологии науки.
Опыт – категория для обозначения процесса и результатов познавательной деятельности во всех ее проявлениях: чувственной и рациональной, эмпирической и теоретической, индивидуальной и коллективной. В узком значении слова – это чувственное или эмпирическое освоение объекта, осуществляемое в процессе непосредственного контакта с ним.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ СХЕМА - некоторая совокупность утверждений теории об основных свойствах и отношениях ее исходных объектов. Например, теоретической схемой классической кинематики Ньютона являются три ее основных закона (закон инерции, закон взаимосвязи силы, массы и ускорения, закон равенства действия и противодействия) как полностью характеризующие движение ее исходного объекта - материальной точки. Понятие теоретической схемы было введено В.С. Степиным в качестве противовеса позитивистскому пониманию структуры научной теории, трактуемой только как логически упорядоченное множество ее высказываний без отсылок на конкретный тип теоретического объекта. Благодаря наличию в научных теориях таких конструктов, как теоретические схемы, частные научные теории не могут быть получены чисто логически из более общих теорий (например, теория движения идеального маятника из общих законов механики Ньютона), так как последние описывают существенно иной тип объектов, нежели частные теории. Между объектами частно-научных и фундаментальных теорий имеет место отношение конструирования объектов менее общей теории из объектов более общей теории. Вследствие различия теоретических схем частных и общих теорий (например, теории математического маятника или небесной механики Кеплера, или оптики по сравнению с теоретической механикой Ньютона) становится понятным, почему частно-научные теории могут возникать и развиваться как до возникновения более общих теорий, так и после возникновения последних и относительно независимо от них.
Теория – 1) понятийная модель реальности (в противовес чувственно-перцептивной); 2) идеализированно-логическая модель эмпирического опыта; 3) продукт идеальной деятельности человека (в отличие от деятельности практической, материальной).
вопросы и задания для самоконтроля
1. Методологи науки выделяют два вида научных теорий: описательные и объяснительные. Приведите примеры научных теорий, относящихся к этим видам, основываясь на фактах истории развития естествознания.
2. Что такое идеализированный объект теории?
3. В чем заключаются трудности эмпирической интерпретации понятий и утверждений теории?
4. Всегда ли научное знание носит гипотетический характер?
5. Раскройте место гипотезы в рамках решения конкретной научной проблемы.
6. Что собой представляет теоретическая схема и каково ее место в становлении теории?
7. Определите проблемы как форму научного знания.
8. В чем своеобразие трактовки проблемы К.Поппером?
9. Поясните тезис Платона «вопрос труднее ответа».
10. Встречаются ли в науке псевдопроблемы?
литература по теме
Обязательная
Степин В.С. Теоретическое знание: структура, историческая эволюция. М.: Прогресс-Традиция, 2000. [Глава IV, Глава V]
Степин В.С., Горохов В.Г., Розов М.А. Философия науки и техники. М.: Гардарика, 1996. [Раздел III, Глава 9]
Дополнительная
Кузнецов Б.Г. Принципы классической физики. М., 1958
Кузнецова Л.Ф. Картина мира и ее функции в научном познании. Минск, 1984
Лесков Л.В. Современная физическая картина мира // Философия современного естествознания. Под ред. проф. С.А.Лебедева. М., 2004
Льоцци М. История физики / Пер. с итал. Э.Бурштейна. М., 1970
Максвелл Д.К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. М., 1954
Пайерлс Р.Е. Законы природы. М., 1957
Соловьев Ю.И. Эволюция основных теоретических проблем химии. М., 1971
[1] См. подр.: Гильберт В. О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле. М., 1956. С. 81-97.
[2] Цит. по: Льоцци М. История физики. Пер. с ит. Э.Бурштейна. М.: Мир, 1970. С. 291.
[3] См. подр.: Степин В.С. Теоретическое знание. М.: Прогресс-Традиция, 2000. С. 383.