КАРПEНКОВ С Х - КОНЦEПЦИИ СОВРEМEННОГО EСТEСТВОЗНАНИЯ - 6-E ИЗД - М 2003 3

Истина - предмет познания. Часто встречающееся утверждение: главная цель естествознания - установление законов природы, открытие скрытых истин - явно или неявно предполагает, что истина где-то уже существует в готовом виде, ее надо только найти, отыскать как некое сокровище. Великий философ древности Демокрит еще в V в. до н.э. говорил: "Истина скрыта в глубине (лежит на дне морском)". Что же означает открыть естественно-научную истину в современном понимании? Это, во-первых, установить причинно-следственную связь явлений и свойств объектов природы, во-вторых, подтвердить экспериментом, опытом истинность полученных теоретических утверждений и, в-третьих, определить относительность естественно-научной истины.
Одна из задач естествознания - объяснить явления, процессы и свойства объектов природы. Слово "объяснить" в большинстве случаев означает "понять". Что обычно подразумевает человек, говоря, например: "Я понимаю свойство познаваемого объекта". Как правило, это означает: "Я знаю, чем обусловлено данное свойство, в чем его сущность и к чему оно приведет". Так образуется причинно-следственная связь: причина - объект - следствие. Количественное описание такой связи служит основой научной теории, характеризующейся четкой логической структурой и состоящей из набора принципов или аксиом и теорем со всеми возможными выводами. По такой схеме строится любая математическая теория. При этом, конечно, предполагается создание специального научного языка, терминологии, системы научных понятий, имеющих однозначный смысл и связанных между собой строгими законами логики. Так достигается математическая истина.
Истинный естествоиспытатель не должен ограничиваться теоретическими утверждениями или выдвинутыми гипотезами для объяснения наблюдаемых явлений или свойств. Он должен подтвердить их экспериментом, опытом и связать их с "действительным ходом вещей". Только так можно приблизиться к естественно-научной истине, которая, как теперь понятно, принципиально отличается от математической истины.
После проведения эксперимента, опыта наступает завершающая стадия естественно-научного познания, на которой устанавливаются границы истинности полученных экспериментальных результатов или границы применимости законов, теорий или отдельных научных утверждений. Результат любого эксперимента, как бы он тщательно не проводился, нельзя считать абсолютно точным. Неточность экспериментальных результатов обусловливается двумя факторами: объективным и субъективным. Один из существенных объективных факторов - динамизм окружающего нас мира: вспомним слова Гераклита - "Все течет, все изменяется; в одну и ту же реку нельзя войти дважды". Другой объективный фактор связан с несовершенством технических средств эксперимента. 60

Эксперимент проводит человек, органы чувств и интеллектуальные способности которого далеки от совершенства: errare humanum est - ошибаться свойственно человеку (известное латинское выражение) - это и есть субъективный фактор неточности естественно-научных результатов.
Выдающийся естествоиспытатель академик В. И. Вернадский (1863-1945) с уверенностью утверждал: "В основе естествознания лежат только научные эмпирические факты и научные эмпирические обобщения". Напомним: эмпирический подход основан на эксперименте и опыте как определяющих источниках естественно-научного познания. Вместе с тем он указывал и на ограниченность эмпирических знаний.
Теоретические утверждения без эксперимента носят гипотетический характер. Только при подтверждении экспериментом из них рождается истинная естественно-научная теория. Научная теория и эксперимент, или, в обобщенном представлении, наука и практика - вот два кита, на которых держится ветвистое древо познания. "Влюбленные в практику без науки словно кормчий, ступающий на корабль без руля или компаса; он никогда не уверен, куда плывет... Наука - полководец, а практика - солдат", - так сказал Леонардо да Винчи (1452-1519).
Сформулируем три основных положения естественно-научного познания:
1) в основе естественно-научного познания лежит причинно-следствен
ная связь;
2) истинность естественно-научных знаний подтверждается эксперимен
том, опытом;
3) любое естественно-научное знание относительно.
Эти положения соответствуют трем стадиям естественно-научного познания. На первой стадии устанавливается причинно-следственная связь в соответствии с принципом причинности. Первое и достаточно полное определение причинности содержится в высказывании Демокрита (р.ок. 470 или 460 г. до н.э.): "Ни одна вещь не возникает беспричинно, но все возникает на каком-нибудь основании и в силу необходимости". В современном понимании причинность означает связь между отдельными состояниями видов и форм материи в процессе ее движения и развития. Возникновение любых объектов и систем, а также изменение их свойств во времени имеют свои основания в предшествующих состояниях материи в процессе ее движения и развития; эти основания называются причинами, а вызываемые ими изменения - следствиями. Причинно-следственная связь - основа не только естественно-научного познания, но и любой другой деятельности человека.
Вторая стадия познания заключается в проведении эксперимента и опыта. Естественно-научная истина - это объективное содержа-
61

ние результатов эксперимента и опыта. Критерий естественно-научной истины - эксперимент, опыт. Эксперимент и опыт - высшая инстанция для естествоиспытателей: их приговор не подлежит пересмотру.
Любые естественно-научные знания (понятия, идеи, концепции, модели, теории, экспериментальные результаты и т. п.) ограничены и относительны. Определение границ соответствия и относительности естественно-научных знаний - это третья стадия естественно-научного познания. Например, установленная граница соответствия, называемая иногда интервалом адекватности, для классической механики означает, что ее законы описывают движение макроскопических тел, скорости которых малы по сравнению со скоростью света в вакууме. Как уже отмечалось, в основе естествознания лежит эксперимент, который в большинстве случаев включает измерения. Подчеркивая важную роль измерений, Д.И. Менделеев (1834-1907) писал: "Наука началась тогда, когда люди научились мерить; точная наука немыслима без меры". Измерений абсолютно точных не бывает, и в этой связи задача ученого-естествоиспытателя заключается в установлении интервала неточности. При совершенствовании методов измерений и технических средств эксперимента повышается точность измерений и тем самым сужается интервал неточности и экспериментальные результаты приближаются к абсолютной истине. Развитие естествознания - это последовательное приближение к абсолютной естественно-научной истине.
2.2. ФОРМЫ ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ
Единство эмпирического н теоретического познания. Каждый акт познавательного процесса включает в себя в той или иной степени как наглядно-чувственные, эмпирические, так и абстрактные, теоретические элементы. Каждый акт живого созерцания пронизан мыслью, опосредован понятиями, категориями. Воспринимая какой-либо объект, мы сразу же относим его к определенной категории вещей, процессов.
Исторически путь естественно-научного познания окружающего мира начинался с живого созерцания - чувственного восприятия фактов на основе практики. От живого созерцания человек переходит к абстрактному мышлению, а от него - снова к практике, в которой он реализует свои мысли, выверяет их истинность. Современный естествоиспытатель, мышление которого аккумулировало в определенной степени человеческий опыт и выработанные человечеством категории и законы, не приступает к исследованию с живого созерцания. Любое естественно-научное исследование нуждается с самого начала в руководящих идеях. Они служат своего рода направляющей силой, без них естествоиспытатель обрекает себя на блуждание в потемках, не может поставить пра-62

вильно ни одного эксперимента. Вместе с тем теоретическая мысль, даже безупречная по своей логической строгости, не может сама по себе вскрыть закономерности материального мира. Для своего эффективного движения она должна постоянно получать стимулы, толчки, факты из окружающей действительности через наблюдения, эксперименты, т.е. посредством эмпирического познания.
Эмпирическое и теоретическое познание - это единый процесс, характерный для любого естественно-научного исследования на любой его стадии.
Чувственные формы познания. Познание действительности осуществляется в разных формах, из которых первой и простейшей является ощущение.
Результат ощущения - простейшие чувственные отражения отдельных свойств предметов.
Например, в апельсине мы ощущаем оранжевую окраску, определенную твердость, специфический запах и т.п. Ощущения возникают под влиянием процессов, исходящих из внешней по отношению к человеку среды и действующих на наши органы чувств. Внешними раздражителями являются звуковые и световые волны, механическое давление, химическое воздействие и т.д.
Любой предмет обладает множеством самых разнообразных свойств. Все эти свойства объединены в одном предмете. И мы воспринимаем и осмысливаем их не порознь, а как единое целое. Следовательно, объективной основой восприятия как целостного образа является единство и вместе с тем множественность различных сторон и свойств в предметах.
Целостный образ, отражающий непосредственно воздействующие на органы чувств предметы, их свойства и отношения, называется восприятием.
Восприятие у человека включает в себя осознание, осмысление предметов, их свойств и отношений, основанное на вовлечении каждый раз вновь получаемого впечатления в систему уже имеющихся знаний.
Жизнь, необходимость ориентировки организма в мире макроскопических целостных вещей и процессов организовала наши органы чувств так, что мы воспринимаем вещи как бы суммарно. Ограниченность, например, зрительного или осязательного восприятия является практически целесообразной. Неспособность руки воспринимать микроструктуру, а глаза - видеть мельчайшие детали дает возможность лучше отражать макроструктуру. Если бы было иначе, то все сливалось бы в сплошное марево движущихся частиц, молекул, и мы не увидели бы вещей и их границ. Можно представить, что бы было, если бы мы на все смотрели через мощный микроскоп.
63

Процессы ощущения и восприятия оставляют после себя "следы" в мозгу, суть которых состоит в способности воспроизводить образы предметов, которые в данный момент не воздействуют на человека.
Способность мозга запечатлевать, сохранять воздействие или сигналы внешней среды и в нужный момент воспроизводить их называется памятью.
Память играет очень важную познавательную роль в жизни человека. Если бы образы, возникнув в мозгу в момент воздействия на него предмета, исчезали сразу же после прекращения этого воздействия, то человек каждый раз воспринимал бы предметы, как совершенно незнакомые. Он не узнавал бы их, а стало быть, и не осознавал. Чтобы осознать что-то, необходима умственная работа сравнения настоящего состояния с предшествующим. Психические явления, сменяющие друг друга и не связанные с предшествующими явлениями, прежде чем закрепиться в памяти, не могут остаться фактом сознания. В результате восприятия внешних воздействий и сохранения их во времени памятью возникают представления.
Представления - это образы тех объектов, которые когда-то воздействовали на органы чувств человека, и при отсутствии объектов восстанавливаются по сохранившимся в мозгу следам.
Ощущения и восприятия - начало возникновения сознательного отражения. Память закрепляет и сохраняет полученную информацию. Представление - психическое явление, в котором сознание впервые отрывается от своего непосредственного источника и начинает существовать как субъективное явление. В нем уже теряется непосредственная чувственная данность объекта сознания. Представление - промежуточная ступень при переходе от ощущения к мысли. В народе говорят: "Око видит далеко, а мысль - еще дальше".
Научный факт. Необходимое условие естественно-научного исследования состоит в установлении фактов. Эмпирическое познание поставляет науке факты, фиксируя при этом устойчивые связи, закономерности окружающего нас мира. Констатируя тот или иной факт, мы фиксируем существование определенного объекта. При этом, правда, остается обычно еще неизвестным, что он представляет по существу. Простая констатация факта держит наше познание на уровне бытия.
Вопрос о том, существует ли реально тот или иной объект - исключительно важный вопрос научного познания. На вопрос о бытии чего-либо естествоиспытатель обычно отвечает или "да", или "может быть", или "весьма вероятно". Констатация бытия объекта - первая, очень низкая ступень познания. Факты приобретают силу научного основания для построения той или иной теории в том случае, если они не только достоверно устанавливаются, разумно отбираются, но и рассматриваются в их на-64

учной связи. Однако постижение действительности невозможно без построения теорий. Даже эмпирическое исследование действительности не может начаться без определенной теоретической направленности. Вот как писал по этому поводу И.П. Павлов (1849-1936): "... во всякий момент требуется известное общее представление о предмете, для того чтобы было на что цеплять факты, для того чтобы было с чем двигаться вперед, для того чтобы было что предполагать для будущих изысканий. Такое предположение является необходимостью в научном деле".
Без теоретического осмысления невозможно целостное восприятие действительности, в рамках которого многообразные факты укладывались бы в некоторую единую систему. Сведение задач науки к сбору фактического материала, по мнению А. Пуанкаре, означало бы полное непонимание истинного характера науки. "Ученый должен организовать факты, - писал он, - наука слагается из фактов, как дом из кирпичей. И одно голое накопление фактов не составляет еще науки, точно так же, как куча камней не составляет дома".
Сущность естественно-научного познания окружающего мира заключается не только в описании и объяснении многообразных фактов и закономерностей, выявленных в процессе эмпирических исследований исходя из установленных законов и принципов, а выражается также и в стремлении естествоиспытателей раскрыть гармонию мироздания.
Наблюдение и эксперимент. Важнейшими методами естественно-научного исследования являются наблюдение и эксперимент.
Наблюдение - преднамеренное, планомерное восприятие, осуществляемое с целью выявить существенные свойства объекта познания.
Наблюдение относится к активной форме деятельности, направленной на определенные объекты и предполагающей формулировку целей и задач. Наблюдение требует специальной подготовки - предварительного ознакомления с материалами, относящимися к объекту будущего наблюдения: с рисунками, фотографиями, описанием предметов и т.п. Важное место в подготовке наблюдения должно занимать уяснение задач наблюдения, требований, которым оно должно удовлетворять, предварительная разработка плана и способов наблюдения.
Эксперимент - метод, или прием, исследования, с помощью которого объект или воспроизводится искусственно, или ставится в заранее определенные условия.
Метод изменения условий, в которых находится исследуемый объ
ект, - это основной метод эксперимента. Изменение условий позволяет
вскрыть причинную зависимость между заданными условиями и характе
ристиками исследуемого объекта и одновременно обнаружить те новые
свойства объекта, которые не проявляются непосредственно в обычных
5 - 3290 65

условиях, проследить характер изменения наблюдаемых свойств в связи с изменением условий. С изменением условий изменяются определенные свойства объекта, а другие свойства при этом не претерпевают существенных изменений, от них мы можем отвлечься. Эксперимент, таким образом, не сводится к простому наблюдению - он активно вмешивается в реальность, изменяет условия протекания процесса.
Технические средства эксперимента. Естественно-научное экспериментальное исследование немыслимо без создания разнообразных технических средств, включающих многочисленные приборы, инструменты и экспериментальные установки. Без экспериментальной техники невозможно было бы развитие естествознания. Прогресс естественно-научного познания существенно зависит от развития используемых наукой технических средств. Благодаря микроскопу, телескопу, рентгеновским аппаратам, радио, телевизору, сейсмографу и т.п. человек значительно расширил свои возможности восприятия.
Первые закономерности в природе были установлены, как известно, в движении небесных тел и были основаны на наблюдениях, осуществляемых невооруженным глазом. Галилей в своих классических опытах с движением тела по наклонной плоскости измерял время по количеству воды, вытекающей через тонкую трубку из большого резервуара, тогда еще не было часов в нашем представлении. Однако давно прошло время, когда естественно-научные исследования могли осуществляться при помощи подручных средств. Галилей прославился в науке не только своими оригинальными исследованиями механических явлений, но и изобретением подзорной трубы. Сегодня астрономия немыслима без разнообразных телескопов, в том числе и радиотелескопов, позволяющих человеку заглянуть в такие дали мироздания, откуда свет доходит до нас в течение сотен миллионов световых лет.
Огромную роль в развитии биологии сыграл микроскоп, открывший человеку многие тайны живого мира. Сегодняшние технические средства дают возможность осуществить эксперимент на молекулярном, атомном и ядерном уровнях. Техника современного эксперимента состоит не только из высокочувствительных приборов, но и из специальных сложных экспериментальных установок. Например, для проникновения в глубь атомного ядра строятся громадные экспериментальные сооружения - синхрофазотроны.
Наукой сегодня активно используются для проведения экспериментов космические корабли, подводные лодки, различного рода научные станции, специальные заповедники. Успехи естествознания тесно связаны с усовершенствованием методов и средств измерения, с усовершенствованием приборов и установок, которые позволяют со все возрастающей гибкостью и утонченностью изменять условия наблюдения и экспери-66

мента. За последние десятилетия создана мощная вычислительная техника, которая не только составляет неотъемлемую часть современного экспериментального оборудования, но и включена теснейшим образом в сам процесс мышления.
Мышление. Мышление - высшая ступень познания. Хотя его источник - ощущения и восприятие, но оно выходит за их границы и позволяет формировать знания о таких объектах, свойствах и явлениях, которые недоступны органам чувств. Мышление освобождает людей от необходимости быть непосредственно связанным с изучаемым объектом. Оно дает возможность мысленно оперировать с объектом, ставя его в различные соотношения с другими объектами, сопоставлять вновь приобретаемое знание об объекте с ранее приобретенными. Тем самым открывается путь для относительно самостоятельной теоретической деятельности, лишь косвенно связанной с эмпирическим познанием.
Мышление - целенаправленное, опосредованное и обобщенное отражение в мозгу человека существенных свойств, причинных отношений н закономерных связей вещей.
Основными формами мышления являются понятия, суждения и умозаключения.
Понятие - это мысль, в которой отражаются общие и существенные свойства объектов и явлений.
Понятия не только отражают общее, но и группируют, классифицируют объекты в соответствии с их различиями. Понятие "дерево" отражает не только общее, то, что свойственно всем деревьям, но и отличие любого дерева от всего другого.
В отличие от ощущений, восприятия и представлений понятия лишены наглядности или чувственности. Содержание понятия зачастую невозможно представить в виде наглядного образа. Человек может представить, например, доброго человека, но он не сможет представить в виде чувственного образа такие понятия, как доброта, зло, красота, закон, скорость света, мысль и т.п. Но все это он может понять.
Понятия возникают и существуют в определенной связи, в виде суждений. Мыслить - значит судить о чем-либо, выявлять определенные связи и отношения между различными сторонами объекта или между объектами.
Суждение - форма мысли, в которой посредством связи понятий утверждается (или отрицается) что-либо о чем-либо.
Например, мысль, выраженная предложением "ядро - составная часть атома", есть суждение, в котором о ядре высказывается мысль, что оно входит в состав атома.
5* 67

По отношению к действительности суждения оцениваются как истинные или ложные. Например, суждение "Ока - приток Енисея" ложно, так как на самом деле Ока не является притоком Енисея, а суждение "Ока - приток Волги" истинно. Истинность и ложность мыслей проверяется практикой.
К тому или иному суждению человек может прийти путем непосредственного наблюдения какого-либо факта или опосредованным путем - с помощью умозаключения.
Умозаключение - форма рассуждения, в ходе которого из одного или нескольких суждений, называемых предпосылками или посылками, выводится новое суждение (заключение или следствие), логически непосредственно вытекающее из посылок.
Пример: "Если данное тело подвергнуть трению, то оно нагревается; тело подвергли трению, значит, оно нагрелось".
На примере из истории естествознания разъясним, что такое теоретическое мышление человека. Известный французский бактериолог Луи Пастер (1822-1895), изучая сибирскую язву, долгое время не мог ответить на вопросы: каким образом домашние животные заражаются этой болезнью на пастбищах? Откуда на поверхности земли появляются бациллы сибирской язвы? Было известно, что люди зарывали трупы павших животных (из-за опасения заразить других животных) глубоко в землю. Проходя однажды по сжатому полю, Пастер заметил, что один участок земли окрашен светлее, чем остальные. Спутник объяснил ему, что именно на этом участке некогда была зарыта павшая от сибирской язвы овца. Внимание Пастера привлек факт, что на этом участке имелось множество ходов дождевых червей и выделенных ими землистых экскрементов. У Пастера возникла мысль, что дождевые черви, выползая из глубины земли и вынося с собой споры сибирской язвы, являются переносчиками этой болезни. Так Пастер косвенным путем, путем мысленного сопоставления своих впечатлений проник в то, что было скрыто от восприятия. Дальнейшие опыты подтвердили правильность его умозаключения.
Приведенный эпизод - типичный пример теоретического мышления. Пастер непосредственно не воспринимал причины заражения домашних животных сибирской язвой. Он узнал об этой причине косвенным путем, через посредство других фактов, т.е. опосредованно. Первый существенный признак мышления и заключается в том, что оно есть процесс опосредованного познания объектов. На основании видимого, слышимого и осязаемого люди проникают в невидимое, неслышимое и 68

неосязаемое. Именно на таком опосредованном познании основана вся наука.
Объективной основой опосредованного процесса познания выступает наличие опосредованных связей, причинно-следственных отношений, существующих в самой действительности и дающих возможность на основании восприятия следствия сделать вывод о причине, вызвавшей данное следствие, а на основании знания причины предвидеть следствие. Опосредованный характер мышления заключается еще и в том, что человек познает действительность не только в результате своего личного опыта, но и косвенным путем, овладевая исторически накопленным опытом и знаниями всего человечества, которые зафиксированы, например, в памятниках письменности.
Одна из важных задач естественно-научного познания - обобщение всего известного об окружающем мире. Эксперимент и наблюдение дают огромное многообразие данных, порой не согласованных между собой и даже противоречивых. Главная задача теоретического мышления - привести полученные данные в стройную систему и создать из них научную картину мира, лишенную логического противоречия.
Исследуя, например, оптические свойства кристаллов винной кислоты, Пастер заметил, что плесневый грибок разрушает некоторые ее кристаллы. Эти наблюдения привели Пастера к смелому обобщению, что и другие изменения веществ, наблюдаемые в природе и известные к тому времени как различные брожения, также вызываются живыми микроорганизмами. Пастер ставит ряд остроумных опытов, которые неопровержимо доказывают, что все виды брожения вызываются микробами.
Важной формой теоретического мышления является гипотеза - предположение, исходящее из ряда фактов и допускающее существование объекта, его свойств, определенных отношений.
Гипотеза - это вид умозаключения, пытающегося проникнуть в сущность еще недостаточно изученной области действительности.
Гипотеза требует проверки и доказательства, после чего она приобретает характер теории.
Теория - система обобщенного знания, объяснения тех или иных сторон окружающего мира.
Например, утверждение об атомном строении материи было долгое время гипотезой. Подтвержденная опытом, эта гипотеза превратилась в достоверное знание - теорию атомного строения материи.
Описание, объяснение и предвидение. Эмпирическое познание имеет дело с фактами и их описанием. При теоретическом анализе эмпи-
69

рического материала логической обработке подвергается вся совокупность эмпирических данных, полученных различными путями и зафиксированных в различных источниках информации. В процессе теоретического мышления познание идет от фактов и их описания к интерпретации, объяснению их. Первым и необходимым условием объяснения фактов является их понимание, т.е. осмысление фактов в системе понятий данной науки. Понять явление - значит выяснить те особенности, благодаря которым оно играет определенную роль в составе целого, раскрыть способ его возникновения.
Эмпирическое познание констатирует, как происходит событие. Теоретическое познание отвечает на вопрос, почему оно проистекает именно таким образом. Эмпирическое познание ограничивается описанием, фиксацией результатов наблюдения и эксперимента с помощью соответствующих средств записи информации, таблиц, схем, графиков, количественных показателей и т.п. Описание фиксирует и организует факты, дает их качественную и количественную характеристику, вводит факты в систему выработанных в данной науке понятий, категорий, подготавливает фактический материал для объяснения.
Теоретическое познание - это прежде всего объяснение причины явлений. Это предполагает выяснение внутренних противоречий вещей, предсказание вероятного и необходимого наступления событий и тенденций их развития. Например, предсказание Д. Максвеллом электромагнитных волн, Д.И. Менделеевым (1834-1907) - новых химических элементов. Из релятивистской теории движения электрона, предложенной Полем Дираком (1902-1984), вытекало предвидение существования нового объекта - позитрона. Конечно, речь идет не о единичном объекте, а о множестве одноименных объектов с вполне определенными свойствами. Тот или иной закон может быть предсказан на основании существующей теории. Однако есть и другой, в определенном смысле противоположный путь предвидения закона - вывод его из эмпирических данных. Так рождается эмпирический закон. Теоретически предсказанный закон подтверждается эмпирически, а эмпирический закон, как правило, обосновывается теоретически.
Существуют интуитивные предвидения, для которых основания не представляются явно. Такие предвидения характерны для исследователей - крупных специалистов в своей области, и для них существенную роль играет подсознательная деятельность мозга. 70

2.3. МЕТОДЫ И ПРИЕМЫ ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Понятие методологии и метода. В современном понимании
методология - учение о структуре, логической организации, методах и средствах деятельности. В частности, методология естествознания - это учение о принципах построения, формах и способах естественно-научного познания.
Метод - это совокупность приемов, или операций, практической или теоретической деятельности.
Метод неразрывно связан с теорией: любая система объективного знания может стать методом. Неразрывная связь метода и теории выражается в методологической роли естественно-научных законов. Например, законы сохранения в естествознании составляют методологический принцип, требующий обязательного их учета при соответствующих теоретических операциях; рефлекторная теория высшей нервной деятельности служит одним из методов исследования поведения животных и человека. Характеризуя роль правильного метода в научном познании, Фрэнсис Бэкон (1561 - 1626) сравнивал его со светильником, освещающим путнику дорогу в темноте. Нельзя рассчитывать на успех в изучении какого-либо вопроса, идя ложным путем. Метод сам по себе не предопределяет полностью успеха в естественно-научном исследовании действительности: важен не только хороший метод, но и мастерство его применения.
Различные методы отраслей естествознания (физики, химии, биологии и т.п.) являются частными по отношению к общему диалектическому методу познания. Каждая отрасль естествознания, имея свой предмет изучения и свои теоретические принципы, применяет свои специальные методы, вытекающие из того или иного понимания сущности ее объекта. Применяемые специальные методы, например, в археологии или географии обычно не выходят за пределы этих наук. В то же время физические и химические методы применяются не только в физике и химии, но и в астрономии, биологии, археологии. Применение метода какой-либо отрасли науки в других ее отраслях возможно потому, что их объекты подчиняются законам этой науки. Например, физические и химические методы применяются в биологии на том основании, что объекты биологического исследования включают в себя в том или ином виде физические и химические формы движения материи.
Сравнение, анализ и синтез. Еще древние мыслители утверждали: сравнение - мать познания. Народ метко выразил это в пословице: "Не узнав горя, не узнаешь и радости". Нельзя узнать, что такое хорошо, не
71

зная плохого, нельзя понять малого без большого и т.п. Все познается в сравнении.
Чтобы узнать, что представляет собой тот или иной предмет, необходимо прежде всего выяснить, в чем он сходен с другими предметами и чем отличается от них. Например, для определения массы какого-либо тела необходимо сравнить ее с массой другого тела, принятого за эталон, т.е. за образец меры. Такой процесс сравнения осуществляется путем взвешивания на весах.
Сравнение есть установление сходства и различия объектов.
Сравнение лежит в основе многих естественно-научных измерений, составляющих неотъемлемую часть любых экспериментов. Сравнивая объекты между собой, человек получает возможность правильно познавать их и тем самым правильно ориентироваться в окружающем мире, целенаправленно воздействовать на него. Будучи необходимым приемом познания, сравнение играет важную роль в практической деятельности человека и в естественно-научном исследовании, когда сравниваются действительно однородные и близкие по своей сущности объекты. Нет смысла сравнивать, как говорят, фунты с аршинами. Сравнение является весьма важным общим приемом познания в различных отраслях естествознания.
Процесс естественно-научного познания совершается так, что мы сначала наблюдаем общую картину изучаемого объекта, при которой частности остаются в тени. При таком наблюдении нельзя познать внутреннюю структуру объекта. Для ее изучения мы должны расчленить изучаемые объекты.
Анализ представляет собой мысленное или реальное разложение объекта на составляющие его части.
Будучи необходимым приемом познания, анализ в то же время является одним из элементов процесса познания.
Невозможно познать сущность объекта, только разлагая его на элементы, из которых он состоит: химик, по словам Гегеля, помещает мясо в свою реторту, подвергает его разнообразным операциям и затем говорит: я нашел, что оно состоит из кислорода, углерода, водорода и т.д. Но эти вещи уже не суть мясо. В каждой отрасли естествознания есть как бы свой предел членения объекта, за которым наблюдается иной мир свойств и закономерностей.
Когда путем анализа частности достаточно изучены, наступает следующая стадия познания:
синтез - объединение в единое целое расчлененных анализом элементов.
72

Анализ фиксирует в основном то специфическое, что отличает части друг от друга. Синтез вскрывает то общее, что связывает части в единое целое.
Человек разлагает объект на составные части для того, чтобы сначала обнаружить сами части, узнать, из чего состоит целое, а затем рассмотреть его как состоящее из частей, но уже обследованных каждая в отдельности. Анализ и синтез находятся в диалектическом единстве между собой: в каждом своем движении наше мышление столь же аналитично, сколь и синтетично.
Анализ и синтез берут свое начало в практической деятельности человека, в его труде. Человек научился мысленно анализировать и синтезировать лишь на основе практического расчленения, разрубания, размалывания, соединения, составления предметов при изготовлении орудий труда, одежды, жилища и т.п. Лишь постепенно осмысливая то, что происходит с объектом при выполнении практических действий с ним, человек учился мысленно анализировать и синтезировать. Анализ и синтез - основные приемы мышления: процессы разъединения и соединения, разрушения и созидания составляют основу всех процессов материального мира. В мире происходят непрекращающиеся процессы разложения и соединения: тела отталкиваются и притягиваются; химические элементы вступают в связь и разъединяются; в живом организме непрерывно осуществляются процессы ассимиляции и диссимиляции.
Абстрагирование, идеализация и обобщение. Каждый изучаемый объект характеризуется множеством свойств и связан множеством нитей с другими объектами. В процессе естественно-научного познания возникает необходимость сконцентрировать внимание на одной какой-либо стороне или свойстве изучаемого объекта и отвлечься от ряда других его качеств или свойств.
Абстрагирование - мысленное выделение какого-либо предмета, в отвлечении от его связей с другими предметами, какого-либо свойства предмета в отвлечении от других его свойств, какого-либо отношения предметов в отвлечении от самих предметов.
Первоначально абстрагирование выражалось в выделении руками, взором, орудиями труда одних предметов и отвлечении от других. Об этом свидетельствует и происхождение самого слова "абстрактный" - от лат. abstractio - удаление, отвлечение. Да и русское слово "отвлеченный" происходит от глагола "влачить".
Абстрагирование составляет необходимое условие возникновения и развития любой науки и человеческого познания вообще. Вопрос о том, что в объективной действительности выделяется абстрагирующей работой мышления и от чего мышление отвлекается, в каждом конкретном
73

случае решается в прямой зависимости от природы изучаемого объекта и тех задач, которые ставятся перед исследователем. Например, в математике многие задачи решаются с помощью уравнений без рассмотрения конкретных объектов, стоящих за ними - люди это или животные, растения или минералы. В этом и состоит великая сила математики, а вместе с тем и ее ограниченность.
Для механики, изучающей перемещение тел в пространстве, безразличны физико-кинетические свойства тел, кроме массы. И. Кеплеру были неважны красноватый цвет Марса или температура Солнца для установления законов обращения планет. Когда Луи де Бройль (1892-1987) искал связь между свойствами электрона как частицы и как волны, он имел право не интересоваться никакими другими характеристиками этой частицы.
Абстрагирование - это движение мысли вглубь предмета, выделение его существенных элементов. Например, чтобы данное свойство объекта рассматривалось как химическое, необходимо отвлечение, абстракция. В самом деле, к химическим свойствам вещества не относится изменение его формы, поэтому химик исследует медь, отвлекаясь от того, что именно из нее изготовлено.
В живой ткани логического мышления абстракции позволяют воспроизвести более глубокую и точную картину мира, чем это можно сделать с помощью восприятия.
Важным приемом естественно-научного познания мира является идеализация как специфический вид абстрагирования.
Идеализация - это мыслительное образование абстрактных объектов, не существующих и не осуществимых в действительности, но для которых имеются прообразы в реальном мире.
Идеализация - это процесс образования понятий, реальные прототипы которых могут быть указаны лишь с той или иной степенью приближения. Примеры идеализированных понятий: "точка", т.е. объект, который не имеет ни длины, ни высоты, ни ширины; "прямая линия", "окружность", "точечный электрический заряд", "идеальный газ", "абсолютно черное тело" и др.
Введение в естественно-научный процесс исследования идеализированных объектов позволяет осуществить построение абстрактных схем реальных процессов, что необходимо для более глубокого проникновения в закономерности их протекания.
Важной задачей любого естественно-научного познания является
обобщение - процесс мысленного перехода от единичного к общему, от менее общего к более общему.
74

Можно привести множество примеров обобщения: мысленный переход от понятия "треугольник" к понятию "многоугольник", от понятия "механическая форма движения материи" к понятию "форма движения материи", от суждения "этот металл электропроводен" к суждению "все металлы электропроводны", от суждения "механическая форма энергии превращается в тепловую" к суждению "всякая форма энергии превращается в иную форму энергии" и т.п.
Мысленный переход от более общего к менее общему есть процесс ограничения.
Процессы обобщения и ограничения неразрывно связаны между собой. Без обобщения нет теории. Теория создается для применения ее на практике к решению конкретных задач. Например, для измерения объектов, создания технических сооружений всегда необходим переход от более общего к менее общему и единичному, т.е. всегда необходим процесс ограничения.
Абстрактное и конкретное. Процесс естественно-научного познания осуществляется двумя взаимосвязанными путями: путем восхождения от конкретного, данного в восприятии и представлении, к абстракциям и путем восхождения от абстрактного к конкретному. На первом пути наглядное представление "испаряется" до степени абстракции, на втором пути мысль движется снова к конкретному знанию, но уже к богатой совокупности многочисленных определений.
Под абстрактным понимается одностороннее, неполное отражение объекта в сознании. Конкретное же знание есть отражение реальной взаимосвязи элементов объекта в системе целого, рассмотрение его со всех сторон, в развитии, со всеми свойственными ему противоречиями.
Конкретное - результат научного исследования, отражение объективной действительности в системе понятий и категорий, теоретически осмысленное единство многообразного в объекте исследования. Методом теоретического познания объекта как целого является восхождение от абстрактного к конкретному.
Аналогия. В природе самого понимания фактов лежит аналогия, связывающая нити неизвестного с известным. Новое легче осмысливается и понимается через образы и понятия старого, известного.
Аналогией называется вероятное, правдоподобное заключение о сходстве двух предметов в каком-либо признаке на основании установленного их сходства в других признаках.
Заключение оказывается тем более правдоподобным, чем больше сходных признаков у сравниваемых предметов и чем эти признаки существеннее. Несмотря на то что аналогии дают лишь вероятные заключе-
75

ния, они играют огромную роль в познании, так как ведут к образованию гипотез - научных догадок и предположений, которые в ходе последующего этапа исследований и доказательств могут превратиться в научные теории. Аналогия с тем, что нам известно, помогает понять то, что неизвестно. Аналогия с простым помогает понять более сложное. Так, по аналогии с искусственным отбором лучших пород домашних животных Ч. Дарвин сформулировал принцип естественного отбора в животном и растительном мире. Аналогия с течением жидкости в трубке сыграла важную роль в появлении теории электрического тока. Аналогии с механизмом действия мышц, мозга, органов чувств животных и человека подтолкнули к изобретению многих технических сооружений: экскаваторов, роботов, логических машин и т.д.
Аналогия как метод чаще всего применяется в теории подобия, на которой основано моделирование.
Моделирование. В современной науке и технике все большее распространение получает
метод моделирования, сущность которого заключается в воспроизведении свойств объекта познания на специально устроенном его аналоге - модели.
Если модель имеет с оригиналом одинаковую физическую природу, то мы имеем дело с физическим моделированием. Модель может строиться по принципу математического моделирования, если она имеет иную природу, но ее функционирование описывается системой уравнений, тождественной той, которая описывает изучаемый оригинал.
Моделирование широко применяется потому, что оно позволяет исследовать процессы, характерные для оригинала, в отсутствие самого оригинала и в условиях, не требующих его наличия. Это часто бывает необходимо из-за неудобства исследования самого объекта и по другим соображениям: дороговизна, недоступность, трудность доставки, необозримость его и т.п.
Ценность модели заключается в том, что ее значительно легче изготовить, с ней легче осуществить эксперименты, чем с оригиналом, и т.д.
В последнее время активно разрабатываются электронные моделирующие устройства, в которых с помощью электронных процессов воспроизводится по заданной программе реальный процесс. Принцип моделирования составляет основу кибернетики. Моделирование применяется в расчетах траекторий баллистических ракет, в изучении режима работы машин и целых предприятий, в распределении материальных ресурсов и т.д.
Индукция и дедукция. В качестве метода естественно-научного исследования
76

индукцию можно определить как процесс выведения общего положения из наблюдения ряда частных единичных фактов.
Обычно различают два основных вида индукции: полную и неполную. Полная индукция - вывод какого-либо общего суждения о всех объектах некоторого множества на основании рассмотрения каждого объекта данного множества. Сфера применения такой индукции ограничена объектами, число которых конечно. На практике чаще применяется форма индукции, которая предполагает вывод обо всех объектах множества на основании познания лишь части объектов. Такие выводы неполной индукции часто носят вероятностный характер. Неполная индукция, основанная на экспериментальных исследованиях и включающая теоретическое обоснование, способна давать достоверное заключение. Она называется научной индукцией. По словам известного французского физика Луи де Бройля, индукция, поскольку она стремится раздвинуть уже существующие границы мысли, является истинным источником действительно научного прогресса. Великие открытия, скачки научной мысли вперед создаются в конечном счете индукцией - рискованным, но важным творческим методом.
Дедукция - это процесс аналитического рассуждения от общего к частному или менее общему.
Началом (посылками) дедукции являются аксиомы, постулаты или просто гипотезы, имеющие характер общих утверждений, а концом - следствия из посылок, теорем. Если посылки дедукции истинны, то истинны и ее следствия. Дедукция - основное средство доказательства. Применение дедукции позволяет вывести из очевидных истин знания, которые уже не могут с непосредственной ясностью постигаться нашим умом, однако представляются в силу самого способа их получения вполне обоснованными и тем самым достоверными. Дедукция, проводящаяся по строгим правилам, не может приводить к заблуждениям.
2.4. НАУЧНОЕ ОТКРЫТИЕ И ДОКАЗАТЕЛЬСТВО
Логика открытия. Логический путь научного и технического творчества, связанного с открытием, чаще всего начинается с возникновения догадки, идеи, гипотезы. Выдвинув идею, сформулировав задачу, ученый ищет ее решение, а затем уточняет его путем расчетов, проверки опытом.
Открытие - установление новых, ранее неизвестных закономерностей, свойств и явлений материального мира, вносящих коренные изменения в уровень познания.
77

За "спиной" любого открытия скрывается приведший к нему тернистый путь, зачастую извилистый, противоречивый и всегда поучительный. Бытует убеждение, будто открытие - результат случайности, внезапного озарения мысли, вдохновения, таинственной творческой интуиции, подсознательного или даже болезненного состояния психики, способной создавать из обычных впечатлений необычные комбинации, рождать "сумасшедшие" идеи, способные ломать наши обычные представления.
Пути, ведущие к открытию, действительно причудливы. На такие пути иногда наводит случай. Так, например, выдающийся датский ученый X. Эрстед (1777-1851) однажды показывал студентам опыты с электричеством. Рядом с проводником, входящим в электрическую цепь, оказался компас. Когда цепь замкнулась, магнитная стрелка компаса вдруг отклонилась. Заметив это, любознательный студент попросил ученого объяснить данное явление. В результате повторных опытов и логических рассуждений ученый сделал великое открытие, заключающееся в установлении связи между магнетизмом и электричеством. Это открытие послужило в свою очередь базой для изобретения электромагнита и других открытий.
Подобных примеров много, но они не могут убедить нас в том, что открытия вообще - результат чистого случая. Случаем ведь нужно уметь воспользоваться. Случай помогает тому, кто упорно работает над осуществлением своей идеи, замысла. Мы видим дом, но не замечаем фундамент, на котором он стоит. Фундамент любого открытия и изобретения - это общечеловеческий и личный опыт.
В творческой деятельности ученого нередки случаи, когда творческий акт мысли осознается как готовый, и самому автору представляется так, как будто его вдруг "осенило". За способностью как бы "внезапно" схватывать суть дела и чувствовать полную уверенность правильности идеи, по существу, стоит накопленный опыт, приобретенные ранее знания и упорная работа ищущей мысли. При этом каждое новое открытие или изобретение подготовлено множеством предшествующих побед и заблуждений.
Открытие как разрешение противоречий. Одна из характерных особенностей творческой работы состоит в разрешении противоречий. Любое научное открытие или изобретение представляет собой создание нового, неизбежно связанного с отрицанием старого. В этом заключается диалектика развития мысли. Творческий процесс вполне логичен. Выстраивается логическая цепь операций, в которой одно звено закономерно следует за другим: постановка задачи, предвидение идеального конечного результата, отыскание противоречия, мешающего достижению 78

цели, открытие причины противоречия и, наконец, разрешение противоречия.
Например, в кораблестроении для обеспечения мореходных качеств корабля необходим оптимальный учет противоположных условий: чтобы корабль был устойчив, необходимо делать его шире, а чтобы он был быстроходнее, целесообразно делать его длиннее и уже. Особенно наглядны технические противоречия в самолетостроении: самолет нужно сделать прочным и легким, атребования прочности и легкости противоположны.
История естествознания и техники свидетельствует, что подавляющее большинство изобретений - результат преодоления противоречий. Искушенный естествоиспытатель и опытный изобретатель, как правило, приступая к решению научной или технической проблемы, ясно представляют, в каком направлении идет развитие науки и техники. Открытия зачастую рождаются в ситуации, когда ученого "загоняют" в тупик парадоксальные, неожиданные факты, кажущиеся ошибкой в эксперименте, отклонения от законов. Академик П.Л. Капица (1894-1984), лауреат Нобелевской премии по физике 1978 г., однажды сказал, что для физика интересны не столько сами законы, сколько отклонения от них. И это верно, так как, исследуя отклонения, ученые обычно и открывают новые закономерности. В ситуации обнаруженного парадокса возникает рабочая гипотеза, объясняющая и тем самым устраняющая парадокс. Она проверяется экспериментом.
Сделать открытие - значит правильно установить надлежащее место нового факта в системе теории в целом, а не просто обнаружить его. Когда новые факты вступают в противоречие с существующей теорией, то логика мысли теми или иными путями разрешает это противоречие и при этом всегда в пользу требований новых фактов. Их осмысление ведет к построению новой теории.
Творческое воображение и интуиция. Творческое воображение позволяет по едва заметным или совсем не заметным для простого глаза деталям, единичным фактам улавливать общий смысл новой конструкции и пути, ведущие к ней. Человек, лишенный творческого воображения и руководящей идеи, в обилии фактов может не увидеть ничего особенного, он к ним привык.
Сила творческого воображения позволяет человеку взглянуть на примелькавшиеся вещи новыми глазами и различить в них черты, доселе никем не замеченные. Английскому инженеру было поручено построить через реку мост, который отличался бы прочностью и в то же время не был дорог. Как-то, прогуливаясь по саду, инженер заметил паутину, протянутую через дорожку. В ту же минуту ему пришла в голову мысль построить висячий мост на железных цепях.
79

Существенное значение в воспитании творческого воображения играет искусство. И далеко не случаен тот факт, что ряд крупных физиков и математиков считают красоту и развитое чувство красоты эвристическим принципом науки, существенным атрибутом научной интуиции.
Многие ученые утверждают, что, в частности, музыка способствует развитию интуиции, т.е. умению видеть и преобразовывать в своем воображении факты так, что в них прослеживается гармония закономерного. Например, академик П. С. Александров (1896-1982) устраивал вечера с прослушиванием классической музыки, и к каждому прослушанному музыкальному произведению он находил своеобразное, но интересное словесное, соответствующее ему повествование. Известно, что П. Дирак выдвинул идею о существовании позитрона по соображениям чисто эстетическим.
В процессе научного открытия большую роль играет интуиция.
Интуиция - способность постижения истины путем прямого ее усмотрения без обоснования с помощью доказательств.
Процесс творчества, осмысление данных чувственного восприятия нередко осуществляется в порядке мгновенного обобщения, своего рода мысленного замыкания, непосредственно от исходных данных к результату. Происходит быстрая мобилизация прошлого опыта на постижение сути какого-либо факта. Например, опытный врач без рассуждений, по незначительным симптомам сразу схватит суть болезни, а потом уже обосновывает правильность своего чутья.
На вершину обостренного интуитивного чувства человек обычно поднимается, опираясь на прочный фундамент жизненного опыта, на крылья вдохновения. Многие ученые и художники считают, что самыми плодотворными в их творческом процессе являются моменты приливов вдохновения. После каких-то, может быть, очень долгих и мучительных исканий вдруг наступает удивительное чувство творческого порыва и ясности сознания. В этот момент человек работает быстро и сам чувствует, что делает хорошо, именно так, как нужно, как ему хотелось. Понятие интуиции сближает научное творчество с художественным.
Открытия никогда не появляются на пустом месте. Они возникают в результате заполнения сознания ученого напряженными поисками решения каких-либо творческих задач. Пытаясь воссоздать психологический и логический путь, которым ученый идет к открытию, мы сталкиваемся с его удивительной способностью взглянуть на вещи как бы в первый раз, без груза привычных представлений.
Однажды, идя по улице в сильный дождь, Н.Е. Жуковский (1847-1921), погруженный в размышления, остановился перед ручьем, через который ему нужно было перешагнуть. Вдруг его взгляд упал на 80

кирпич, лежавший посреди потока воды. Ученый стал внимательно всматриваться в то, как под напором воды изменилось положение кирпича, а вместе с этим изменился и характер огибающей кирпич струи воды... На лице ученого вспыхнула радость открытия: вот оно, искомое решение гидродинамической задачи! Многие люди сотни раз видели кирпич, лежащий в ручье, и проходили мимо непримечательного для них явления. И только глаз ученого с острой наблюдательностью и силой творческого воображения смог увидеть в этом факте важные черты и открыть закономерность явления.
К достижениям всего нового ведут острая наблюдательность, кропотливое изучение фактов и сила творческого воображения. В процессе научного исследования - экспериментального или теоретического - ученый ищет нужное решение проблемы, ведет поиск. Поиск можно вести ощупью, наугад, но можно и целенаправленно. Во всяком творении есть направляющая идея, играющая огромную роль. Это своего рода руководящая сила, без нее ученый неизбежно обрекает себя на блуждание в потемках. Наблюдения, эксперимент, проводимые наобум, без ясно осознанной общей идеи, не могут привести к эффективному результату. "Без идеи в голове, - говорил И.П. Павлов, - вообще не увидишь факта".
Ученый не может знать всех фактов: им нет числа. Значит, из множества фактов должен быть сделан разумный выбор вполне определенных фактов - тех, которые необходимы для понимания сути проблемы. Чтобы не пренебречь какими-либо существенными фактами, нужно заранее знать или интуитивно чувствовать, чего они стоят. Результаты интуитивного постижения нуждаются в логическом доказательстве своей истинности.
Доказательство. Характерная форма научного мышления - доказательство. Истинность или ложность того или иного утверждения, как правило, не обладает прозрачной очевидностью. Только простейшие суждения нуждаются для подтверждения своей истинности лишь в применении чувственного восприятия. Подавляющее большинство утверждений принимается за истинные не на уровне чувственного познания и не отдельно от всех других истин, а на уровне логического мышления, в связи с другими истинами, т.е. путем доказательства.
Во всяком доказательстве имеются: тезис, основания доказательства (аргументы) и способ доказательства.
Тезисом называется положение, истинность или ложность которого выясняется посредством доказательства. Доказательство, посредством которого выясняется ложность, называется опровержением.
Все положения, на которые опирается доказательство и из которых
необходимо следует истинность доказываемого тезиса, называются осно-
6-3290 81

ваниями или аргументами. Основания состоят из положений о достоверных фактах, определений, аксиом и ранее доказанных положений.
Аксиомы - положения, не доказываемые в данной науке и играющие в ней роль допускаемых оснований доказываемых истин.
Связь оснований и выводов из них, имеющая результатом необходимое признание истинности доказываемого тезиса, называется способом доказательства. Доказательство одного и того же положения науки может быть различным. Связь оснований, ведущая к истинности доказательного тезиса, не единственная. Так как она не дана вместе с самими основаниями, а должна быть установлена, следовательно, доказательство - теоретическая задача. В ряде случаев задача доказательства оказывается настолько сложной, что решение ее требует от ученых огромных усилий на протяжении целых десятилетий или даже столетий. В течение почти двух с половиной тысячелетий оставалось недоказанным существование атома, пока успехи новой экспериментальной и теоретической физики не принесли наконец это доказательство. Гениальная догадка Джордано Бруно (1548-1600) о существовании планет, обращающихся вокруг других звезд, получила доказательное подтверждение только в последние десятилетия.
От примитивных способов доказательства, опирающихся на неточные, приблизительные представления, до современных доказательств, основанных на достоверных фактах, точно определяемых понятиях, на свободных от противоречий и достаточных в своем числе аксиомах, а также на уже строго доказанных ранее положениях, практика доказательства прошла большой путь совершенствования, подняв умственную культуру на уровень современной науки.
2.5. ЭКСПЕРИМЕНТ - ОСНОВА ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
Практическая направленность эксперимента. Эксперимент является фундаментальной базой естествознания, наиболее эффективным и действенным средством познания. Для современного эксперимента характерны три основные особенности:
1) возрастание роли теории при подготовке к эксперименту (все чаще
эксперименту предшествует теоретическая работа большой группы уче
ных);
2) сложность технических средств эксперимента, состоящих из мно
гофункциональной электронной аппаратуры, прецизионных механиче
ских устройств, высокочувствительных приборов и т.п.;
3) масштабность эксперимента (некоторые экспериментальные объ
екты представляют собой сложнейшие сооружения крупных масштабов,
82

строительство и эксплуатация которых требуют больших финансовых затрат).
Любой эксперимент базируется на взаимодействии субъекта с исследуемым объектом и часто включает операции наблюдения, приводящие не только к качественным, описательным, но и к количественным результатам, требующим дальнейшей математической обработки. С этой точки зрения, эксперимент - разновидность практического действия, предпринимаемого с целью получения знания. В процессе экспериментального исследования в контролируемых и управляемых условиях изучаются многообразные явления и свойства объектов природы. Основная задача эксперимента заключается в проверке гипотез и выводов теорий, имеющих фундаментальное и прикладное значение. Являясь критерием естественно-научной истины,
эксперимент представляет собой основу научного познания окружающего мира.
Хотя эксперимент и наблюдение относятся к эмпирическим формам естественно-научного познания, между ними есть существенное различие: эксперимент - преобразующая внешний мир деятельность человека, а наблюдению свойственны черты созерцательности и чувственного восприятия исследуемого объекта. В экспериментальной работе при активном воздействии на исследуемый объект искусственно выделяются те или иные его свойства, которые и являются предметом изучения в естественных либо специально созданных условиях.
В процессе естественно-научного эксперимента часто прибегают к физическому моделированию исследуемого объекта и создают для него различные управляемые условия. Для этого наряду с моделирующим объектом изготавливаются специальные установки и устройства: барокамеры, термостаты, магнитные ловушки, ускорители и т.п., - обеспечивающие сверхнизкие и сверхвысокие температуры и давления, вакуум и другие условия. В некоторых случаях моделирование - единственно возможное средство для эксперимента.
Многие экспериментальные исследования направлены не только на достижение естественно-научной истины, но и на отработку технологий производства новых видов разнообразной продукции, что еще раз подчеркивает практическую направленность эксперимента как непосредственного способа отработки и совершенствования любого технологического цикла.
Экспериментальные средства по своему содержанию не однородны,
их можно разделить на три основные, функционально отличающиеся сис
темы:
6* 83

1) систему, содержащую исследуемый объект с заданными свойст
вами;
2) систему, обеспечивающую воздействие на исследуемый предмет;
3) сложную приборную измерительную систему.
В зависимости от поставленной задачи данные системы играют разную роль. Например, при определении магнитных свойств вещества результаты эксперимента во многом зависят от чувствительности приборов. В то же время при исследовании свойств вещества, не встречающегося в природе в обычных условиях, да еще и при низкой температуре, все системы экспериментальных средств одинаково важны.
Чем сложнее экспериментальная задача, тем острее проблема повышения достоверности полученных результатов. Можно назвать четыре пути решения данной проблемы:
1) многократное повторение операций измерений;
2) совершенствование технических систем и приборов, повышение
их точности, чувствительности и разрешающей способности;
3) более строгий учет основных и неосновных факторов, влияющих
на исследуемый объект;
4) предварительное планирование эксперимента, позволяющее наи
более полно учесть специфику исследуемого объекта и возможности при
борного обеспечения.
Чем тщательнее предварительно проанализированы все особенности исследуемого объекта и управляемые внешние условия, чем чувствительнее и точнее приборы, тем достовернее экспериментальные результаты.
В любом естественно-научном эксперименте можно выделить три основных этапа:
1) подготовительный;
2) сбор экспериментальных данных;
3) обработка результатов эксперимента и их анализ.
Подготовительный этап обычно сводится к теоретическому обоснованию эксперимента, его планированию, изготовлению образца или модели исследуемого объекта, конструированию и созданию технической базы, включающей приборное обеспечение. Результаты, полученные на хорошо подготовленной экспериментальной базе, как правило, легче поддаются сложной математической обработке. Анализ результатов эксперимента позволяет оценить тот или иной параметр исследуемого объекта и сопоставить его с известным теоретическим либо экспериментальным значением, полученным другими техническими средствами, что очень важно при определении правильности и степени достоверности окончательных результатов.
84

Обработка экспериментальных результатов. После сбора первых экспериментальных данных процедура эксперимента продолжается. Во-первых, как правило, единичные результаты нельзя считать окончательным решением поставленной задачи. Во-вторых, такие результаты нуждаются в логической доработке, превращающей их в научный факт, в истиности которого не возникает сомнений. Отдельные экспериментальные данные, полученные на начальной стадии исследования, могут содержать ошибки, связанные с некорректной постановкой эксперимента, неправильными показаниями измерительных приборов, отклонениями в функционировании органов чувств и т. д. Поэтому, как правило, проводится не один эксперимент, а серия экспериментов, в которых уточняются и проверяются результаты измерений, собираются недостающие сведения, проводится их предварительный анализ. Затем полученные экспериментальные данные обрабатываются в рамках математической теории ошибок, позволяющей количественно оценить достоверность окончательных результатов. Сколь бы точными ни были наблюдения и измерения, погрешности неизбежны, и задача естествоиспытателя заключается в том, чтобы приблизить экспериментальные данные к объективным значениям определяемых величин, т. е. уменьшить интервал неточности.
Современная статистическая теория ошибок вооружает экспериментаторов надежными средствами корректировки экспериментальных данных. Статистическая обработка - не только эффективное средство уточнения экспериментальных данных, отсеивания случайных ошибок, но и первый шаг обобщения их в процессе формирования научного факта. Разумеется, статистическая обработка - необходимая, но не достаточная операция при переходе от эмпирических данных к естественно-научному факту.
После уточнения экспериментальных результатов начинается их сравнение и обобщение, которое еще не означает окончательного установления научного факта. Вновь зафиксированное явление или свойство объекта становится научным фактом только после его интерпретации. Таким образом, научный факт, полученный в эксперименте, представляет собой результат обобщения совокупности выводов, основанных на наблюдениях, и измерениях характеристик исследуемого объекта при предсказании их в виде гипотезы.
2.6. СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Специфика современных экспериментальных и теоретических исследований. На всех этапах эксперимента естествоиспытатель руководствуется в той или иной форме теоретическими знаниями. В последнем
85

столетии в силу ряда объективных причин основной профессиональной деятельностью некоторых ученых стала исключительно теоретическая работа. Одним из первых ученых, который не проводил никаких экспериментов, был немецкий физик М. Планк.
Произошло, таким образом, деление естествоиспытателей на профессиональных теоретиков и экспериментаторов. Во многих отраслях естествознания возникли экспериментальные и теоретические направления и в соответствии с ними появились специализированные лаборатории. Созданы научные подразделения и даже институты теоретического профиля, например Институт теоретической физики. Такой процесс активизировался во второй половине XX в. В прежние времена не только Ньютон и Гюйгенс, но и такие выдающиеся теоретики, как Максвелл, обычно сами экспериментально проверяли свои теоретические выводы и утверждения. В последние же десятилетия только в исключительных случаях теоретик проводит экспериментальную работу, чтобы подтвердить свои теретиче-ские выводы.
Одна из объективных причин профессиональной обособленности экспериментаторов и теоретиков заключается в том, что современные технические средства довольно сложны. Экспериментальная работа требует концентрации больших усилий - она не под силу одному ученому и выполняется в большинстве случаев целым коллективом научных работников. Например, в проведении эксперимента с применением ускорителя, реактора и т. п. принимает участие относительно большая группа исследователей. В подобных случаях даже при большом желании теоретик не в состоянии проверить на практике свои теоретические результаты.
Еще в 60-е годы XX в., когда практически все отрасли естествознания находились на подъеме, академик П.Л. Капица с тревогой говорил о разрыве между теорией и экспериментом, между теорией и практикой, отмечая отрыв теоретической науки от жизни, с одной стороны, а с другой - недостаточно высокое качество экспериментальных работ, что нарушает естественное гармоническое развитие естествознания, возможное только при условии, что теория опирается на современную экспериментальную базу, включающую всевозможное оборудование, большой набор высокочувствительных приборов, специальных материалов и т.п. Темпы развития естествознания определяются в основном степенью совершенства такой базы.
Отрыв теории от эксперимента, практики наносит громадный ущерб прежде всего самой теории и, следовательно, науке в целом. Он характерен не только для естествознания, но и для философии, связанной с проблемами естествознания. Ярким примером может служить отношение не-86

которых "философов" к кибернетике в конце 40-х - начале 50-х годов XX в., когда в отечественных философских словарях кибернетика называлась реакционной лженаукой. Если бы ученые руководствовались таким определением, то вряд ли бы стало возможным освоение космоса и создание современных наукоемких технологий, поскольку все сложные многофункциональные процессы вне зависимости от их области применения управляются кибернетическими системами.
Работа крупных ученых-естествоиспытателей, внесших большой вклад в развитие современного естествознания, несомненно проходила в тесной взаимосвязи теории и эксперимента. Поэтому для развития естествознания на здоровой почве всякое теоретическое обобщение должно непременно проверяться экспериментом. Только гармоничное развитие эксперимента и теории способно поднять на качественно новый уровень все отрасли естествознания.
Современные методы и технические средства эксперимента. Экспериментальные методы и технические средства современных естественно-научных исследований достигли высокой степени совершенства. Многие из них основаны на физических принципах. Однако их практическое применение выходит далеко за рамки физики: они широко применяются в химии, биологии и многих смежных естественно-научных отраслях. С появлением лазерной техники, компьютеров, спектрометров открылась возможность экспериментального исследования неизвестных ранее явлений природы, свойств материальных объектов, быстропроте-кающих физических, химических и биологических процессов.
Лазерная техника. Для экспериментального изучения многих естественных процессов весьма важны три направления развития лазерной техники:
1) разработка лазеров с перестраиваемой длиной волны излучения;
2) создание ультрафиолетовых лазеров;
3) сокращение длительности импульса лазерного излучения до атто-
секунд (1 ас = 10-18 с).
Чем шире спектр излучения лазера, тем он ценнее. Современные лазеры с перестраиваемой длиной волны охватывают спектр - от ближней ультрафиолетовой области до инфракрасной, включая видимый диапазон. Разработаны лазеры, длина волны излучения которых составляет менее 300 нм, т.е. соответствует ультрафиолетовой области. К ним относится, например, криптон-фторидный лазер.
Минимальная длительность импульсов современных лазеров равна фемтосекундам (1 фс =10-15с). Разрабатываются лазеры с длительностью импульсов излучения, приближающейся к аттосекундам. Такие лазеры,
87

несомненно, позволят расшифровать механизм физических, химических и биологических процессов, протекающих с чрезвычайно высокой скоростью.
Сравнительно недавно - в конце 80-х годов XX в. - сотрудник Калифорнийского технологического института, американец египетского происхождения Ахмед Зивэйл исследовал сверхбыструю реакцию распада молекул цианида иода, инициируемую импульсами лазерного излучения фемтосекундной длительности. За эту работу он удостоен Нобелевской премии по химии 1999 г.
Трудно перечислить все области применения лазеров для исследования многообразных химических процессов. Назовем лишь некоторые из них: в фотохимии лазер помогает изучить процесс фотосинтеза и тем самым найти способ более эффективного использования солнечной энергии; в химической кинетике при анализе различных процессов длительностью 10-12-10-18с с помощью лазеров разделяются изотопы, например, производится очистка изотопов урана и плутония; лазерные приборы служат анализаторами химического состава воздуха; в биологии они позволяют исследовать живые организмы на клеточном уровне и т.д.
Возможности естественно-научных исследований расширяют лазеры на свободных электронах. Принцип их действия основан на том, что в пучке электронов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, в периодически изменяющемся магнитном поле в направлении движения электронов возникает излучение света. Для них характерна важная отличительная особенность - перестройка длины волны при большой мощности в широком диапазоне излучения.
Синхротронные источники излучения. Синхротроны применяются не только в физике высоких энергий для исследования механизма взаимодействия элементарных частиц, но и для генерации мощного синхротрон-ного излучения с перестраиваемой длиной волны в коротковолновой ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра. С помощью син-хротронного излучения можно исследовать структуру твердого тела, определить расстояние между атомами, изучить строение молекул органических соединений и т.п.
Методы расшифровки сложных структур. Для идентификации, анализа и синтеза сложных химических соединений необходимо определить состав и структуру их молекул. Современные экспериментальные методы ядерного магнитного резонанса, оптической спектроскопии, масс-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа, нейтронографии и т.п. позволяют исследовать состав и структуру необычайно сложных молекул органических и неорганических веществ. 88

Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основан на анализе взаимодействия магнитного момента атомных ядер с внешним магнитным полем. Он применяется в разных отраслях естествознания и, в особенности, в химии синтеза полимеров, и т.п. С помощью метода ЯМР можно определить, например, структуру сегментов ДНК. Основанный на ЯМР современный томограф позволяет наблюдать картину распределения химических неоднородностей таких крупных объектов, как организм человека, что весьма важно при диагностике ряда заболеваний, в том числе и злокачественных опухолей.
Оптическая спектроскопия обеспечивает анализ спектра излучения вещества в различных агрегатных состояниях. Спектральный анализ - это физический метод качественного и количественного определения состава вещества по его оптическому спектру излучения. В качественном спектральном анализе для интерпретации спектра используются таблицы и атласы, составленные для различных химических элементов и соединений. Состав исследуемого вещества при количественном спектральном анализе оценивается по относительной или абсолютной интенсивности линий или полос спектра. С применением лазерного источника излучения и персонального компьютера возможности оптического спектрометра значительно расширяются: такой спектрометр способен обнаружить отдельную молекулу или атом любого вещества. Лазерный спектроскопический метод позволяет регистрировать, например, загрязнение воздуха на расстоянии около двух километров.
Масс-спектроскопия основана на превращении исследуемого вещества в ионизированный газ, ионы которого ускоряются электрическим полем. Масса частиц определяется по радиусу кривизны их траектории и времени пролета. Масс-спектрометрия отличается высокой чувствительностью. С ее помощью можно обнаружить, например, три атома изотопа 14С среди 1016 атомов 12С. Они широко применяются для исследования структуры химических соединений, определения изотопного состава и строения молекул в разных областях: в производстве интегральных схем, металлургии, нефтяной, фармацевтической, атомной промышленности и т.п. Для идентификации методом масс-спектроскопии достаточно всего 10-10 г вещества. Так, в плазме крови масс-спектрометр регистрирует активное вещество марихуаны с концентрацией 0,1 мг на килограмм массы тела человека. В сочетании с газовым хроматографом возможности масс-спектроскопии существенно расширились.
Рентгеноструктурный анализ, основанный на дифракции рентгеновских лучей, позволяет определить довольно сложные молекулярные
89

структуры неорганических и органических веществ, что способствует синтезу, например, искусственных ферментов, гормонов роста и т.д.
Нейтронография обладает очень высокой разрешающей способностью. Она основана на дифракции пучка нейтронов, формирующихся в ядерных установках, что несколько ограничивает ее применение. Отличительная особенность нейтронографии - высокая точность определения расстояния между атомами. Она применяется при определении структуры молекул сверхпроводников, живых организмов и т.п.
2.7. ВАЖНЕЙШИЕ ДОСТИЖЕНИЯ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
В последние десятилетия благодаря развитию технических средств эксперимента достигнуты значительные успехи в естествознании. Невозможно перечислить все естественно-научные достижения, но можно назвать важнейшие из них: высокотемпературная сверхпроводимость, химические лазеры, молекулярные пучки, атомный лазер, нанотехнология, расшифровка генома человека и т.п., - большинство которых отмечено Нобелевскими премиями.
Высокотемпературная сверхпроводимость. В 1911 г. нидерландский ученый X. Камерлинг-Оннес (1853-1926), исследуя электрическое сопротивление металлов, обнаружил, что при охлаждении ртути до температуры жидкого гелия (4,2 К) ее электрическое сопротивление скачком уменьшается до нуля, т.е. ртуть переходит в сверхпроводящее состояние. С течением времени по мере синтеза новых материалов температура перехода в сверхпроводящее состояние (критическая температура) неуклонно повышалась: в 1941 г. она достигла около 15 К, а в 1973 г. - примерно 23 К.
С 1986 г. начинается новый этап исследования сверхпроводимости, положивший начало высокотемпературной сверхпроводимости, т.е. сверхпроводимости при относительно высокой температуре. Для четы-рехкомпонентного керамического вещества на основе оксидов меди была достигнута критическая температура 37 К. Затем последовательно через сравнительно короткие промежутки времени она увеличилась до 40, 52, 70, 92 и даже выше 100 К. В 1993 г. обнаружены сверхпроводящие свойства ртутьсодержащего металлооксидного вещества при температуре около 170 К, которая достигается при охлаждении не только жидким азотом, но и более дешевым - жидким ксеноном. Совсем недавно, в мае 2000 г., сообщалось, что даже такой широко распространенный материал, 90

как алюминий, способен приобретать сверхпроводящие свойства, однако не при охлаждении, а при нагревании.

<< Пред. стр. 3 (из 16) След. >>

Список литературы по разделу