Эмпирическое и теоретическое знание в науке

Структура эмпирического знания. Особенности наблюдения и эксперимента. О возможности математического и мысленного эксперимента. Количественные отношения и мера, роль измерения и прибора в познании.

Научная теория как форма упорядочения знаний. Структура научной теории. Предметное, операциональное и ценностное знание в науке.

Еще раз об особенностях языка науки. О проблеме континуальности языка и мышления. Математизация и формализация научных теорий. Происхождение и природа абстракций.

В структуру эмпирического знания включают обычно наблюдение, эксперимент, измерение. Они же часто рассматриваются и в качестве методов эмпирического исследования. Кроме того, в эту структуру включают анализ и сравнение фактов, первичную систематизацию опытного материала. Формы представления такого подвергшегося первичной систематизации материала были рассмотрены в начале курса (оформление эмпирического базиса, выражение его в системе протокольных предложений, приведение к нормальным дизъюнктивным или конъюнктивным математическим формам выражения и т.п.).

Научное наблюдение есть целенаправленное и организованное восприятие, основанное на получении, переработке и синтезе чувственных впечатлений исследователя. Наблюдение применяется в случаях, когда:

а) объект или процесс недоступен (ввиду удаленности, как в астрономии, либо агрессивности среды, не позволяющей использовать экспериментально-измерительную базу);

б) экспериментальное вмешательство в исследуемый процесс изменяет его естественный ход (например, в социальных процессах, когда бывает предпочтителен метод «включенного наблюдения», или в ряде наблюдений квантово-механических эффектов и в других аналогичных ситуациях явного и существенного воздействия наблюдателя на наблюдаемый процесс).

Наблюдение активно, что означает сознательный поиск фактов, в котором ученый руководствуется некоторой гипотезой или прежним опытом. Следовательно, уже в наблюдении факты, с одной стороны, «упрямая вещь», но с другой – являются теоретически нагруженными, избирательными, работающими на подтверждение или опровержение теоретических гипотез. В этом смысле утопией является поиск т.н. «чистых» или «окончательных» фактов как данных опыта. Действительным результатом научного наблюдения оказываются не факты, а то, что Р. Карнап называл «протокольными суждениями», некие зарегистрированные описания наблюдаемого. Отметим, что факт по значению этого понятия – это либо знание о единичном событии (например, факт, что я сейчас, такого-то числа в таком-то месте, читаю лекцию), либо совокупность высказываний, фиксирующих результаты наблюдения, измерения, эксперимента (факт, что доска, на которой я пишу, твердая и плоская, зеленого цвета, ее длина составляет около трех метров). Науку интересуют прежде всего факты во втором значении, именно они в определенных условиях становятся научными фактами. Факты такого рода всегда содержат долю истолкования. Они становятся «упрямой вещью» только в рамках определенных интерпретаций.

Основные функции наблюдения – получение информации, проверка гипотез, сопоставление теоретических результатов по данным наблюдения с целью установления истинности как соответствия теории фактам наблюдения.

Наблюдения в науке интерсубъективны, что является условием достижения их объективности. Они могут носить непосредственный или косвенный характер. Особенность последних заключается в том, что исследуемые объекты представлены в науке через восприятие и фиксацию результатов взаимодействия ненаблюдаемых объектов с наблюдаемыми. В этом случае теоретическая нагруженность фактов становится вполне очевидной, ибо необходимо допустить существование закономерной связи между непосредственно ненаблюдаемым и теми эффектами, которые оно вызывает в наблюдаемом.

Эксперимент отличается от наблюдения тем, что в нем достигается прямое взаимодействие с изучаемым объектом или процессом, непосредственный доступ к исследуемой реальности. Здесь уже возможно измерение по шкалам интервалов или отношений, введение строгих математических методов обработки данных. Считается, что первым экспериментальный метод начал применять Г. Галилей в физике. Научный эксперимент предполагает следующие возможности:

– выделить изучаемое явление по ограниченному числу параметров, относимых либо к самому явлению, либо к условиям его протекания;

– изолировать его по всем другим параметрам, принимаемым за несущественные;

– варьировать существенные параметры;

– многократно воспроизводить эксперимент вместе с его условиями.

Ранее экспериментом считали только воздействие на изучаемый объект с помощью материальных средств (экспериментальных установок и приборов).
С 90-х годов ХХ века некоторые ученые используют понятие вычислительного, или математического эксперимента (Н.Н. Моисеев и др.). Более строго было бы называть это модельным экспериментом с идеальной логико-математической моделью. То же следует сказать о так называемых «мысленных экспериментах», они носят преимущественно качественный характер.

Качественным эксперимент называют, если он не включает процедуру измерения. Скажем, когда речь идет о сравнительном анализе по типу «больше» или «меньше». Пример – шкала Мооса для определения твердости материалов. Количественный эксперимент предполагает точное измерение всех существенных параметров. Для этого используется измерительная и регистрирующая аппаратура, а также методы математической обработки результатов. Когда говорят, что наука начинается с измерений, имеют в виду количественные эксперименты.

Функции эксперимента те же, что и у наблюдения, хотя отличаются по интенсивности, возможностям обоснования соответствия, истинности.

Среди экспериментов особо выделяется измерительный эксперимент. Измерение – это процедура приведения в соответствие с некоторым заранее заданным эталоном для количественного сравнения. Установление количества достигается введением единицы (меры) измерения.

Поэтому относящимися к собственно измерениям принято считать шкалы интервалов и отношений (фиксируют отношение, меру), что реализуется в измерительных приборах (усилители, анализаторы, преобразователи, включая регистраторы; собственно измерители, ИИС). Приборы преобразуют изучаемые и обычно непосредственно органам чувств человека недоступные явления в наблюдаемые, фиксируемые, опосредствованно доступные.

Роль прибора и эмпирического знания в науке исключительна. Рациональность продуктивна, когда она опирается на серьезный эмпирический базис. Но при этом следует помнить об основной слабости индуктивного вывода: он дает вероятное, а не достоверное обоснование знания. Это средство «проверки воображения», а уже во вторую очередь – получения знаний путем наблюдения.

Для перехода к анализу состава (структуры) научной теории вспомним определение предмета философии науки. Ранее мы отмечали, что таковым является исследование условий возможности науки, сферы и границ научности, критериев последней. Анализ определения и функций науки позволяет дополнить: а также исследование целей, мотивов, ценностей и технологий деятельности человека по получению (производству) новых знаний в различных культурно-исторических условиях.Отсюда проистекают основные функции философии по отношению к науке: онтологическая, гносеологическая, методологическая, а также все более осознаваемая в последнее время антропо-аксиологическая. По отношению к научным теориям, в первую очередь фундаментальным, философия выполняет также эвристически-селективную функцию, поскольку из множества умозрительных комбинаций исследователь реализует только те, которые согласуются с его мировоззрением. Последние две функции особое значение приобретают в период научных революций, или смены парадигм.

Рассмотрим теперь структурные элементы собственно научной теории. Научная теория – это логически упорядоченная система знаний, имеющая в своем составе по меньшей мере три структурных элемента. Первый – ядро теории, состоящее из выраженных в математической форме одного или нескольких основополагающих законов, исходных фундаментальных понятий, принципов, аксиоматических допущений. Законы формулируются в виде суждений, имеющих необходимый и общий характер. Закон – это устойчиво повторяющееся, существенное отношение между вещами или процессами. Закон выражает отношения зависимости, взаимосвязи, корреляции между ними. Различают законы функциональные, с горизонтальными связями, и эволюционные, с вертикальными, асинхронными, несимметричными во времени связями, типа причинных, – законы новообразования, развития. К ядру теории относят также ее идеализированный объект, предельную абстракцию или модель наиболее значимых для данной теории свойств и связей типа материальной точки или центра масс в механике, идеального газа в кинетике газов, абсолютно черного тела в оптике, идеального цикла Карно в теплотехнике и т.п. Второй структурный элемент теории – периферия, включающая методы, математико-логический аппарат, который составляет совокупность правил обработки знаний и способов аргументации. К периферии относят обычно философские нормы и принципы1, ценностные установки ученого, если они принимаются в расчет (а это имеет место не во всех концепциях философии науки). Сюда же отнесем наглядные образы теории, посредством которых достигается чувственно-сверхчувственный характер интерпретации ее утверждений. Благодаря предлагаемым авторами наглядным моделям типа атома или химических соединений мир теории предстает как более близкий, понятный как для самих исследователей, так и для тех, кто впоследствии обучается по этим моделям. Но эти образы не могут быть отнесены к эмпирическому базису, так как носят посттеоретический характер. К периферии отнесем, с учетом возможных возражений, проблемы и гипотезы. Это важные формы развития знания, которые не входят в ядро теории, но очень часто инициируют изменение последнего. Проблема в науке – это своеобразное «знание о незнании», она открывает направление возможной дальнейшей разработки теории. Попытки решить проблему оформляются первоначально в гипотезы – суждения предположительного характера с неопределенным значением истинности. Наука начинается с постановки проблем и формулирования гипотез, одни из которых отмирают в процессе фальсификации (как гипотезы флогистона или теплорода, а в ХХ веке – эфира), другие же становятся теориями (как квантовая гипотеза). Интересно, что до ХХ века считалось обязательным соответствие выдвигаемых гипотез правилам формальной логики. Сегодня это требование значительно смягчено: уже Луи де Бройль, выдвинув гипотезу о наличии у микрообъектов корпускулярных и волновых свойств одновременно, продемонстрировал его невыполнимость в полном объеме. По-видимому, правильнее говорить о соответствии гипотезы какой-либо принятой логике, включая трех- или многозначные, размытые и другие, признанные в научном сообществе. Наконец, третий структурный элемент теории – эмпирический базис, совокупность высказываний, описывающих результаты опытов, наблюдений, экспериментов, измерений количественных параметров. Иногда их называют протокольными высказываниями о фактах. Факт в науке понимается либо как доказанное знание о событии (например, факт, что я пишу эти строки в такой-то день и час 2007 года), либо как предложение, фиксирующее результат наблюдения, измерения, эксперимента («стол, за которым я сижу, твердый и плоский, его длина составляет примерно два с половиной локтя»). Науку интересуют прежде всего факты во втором значении, и факт такого рода всегда содержит долю истолкования. Факты становятся «упрямыми» в рамках определенных интерпретаций.

С учетом этих трех структурных элементов наука предстает как мышление в понятиях, проверяемое опытом.

Основные свойства научной теории рассмотрим через требования к ней. Первое требование: теория должна удовлетворять критерию, который
А. Эйнштейн называл «логической единственностью». Этот критерий он разъяснял как требование полноты описания при условии минимизации логически взаимосвязанных понятий и «произвольно установленных соотношений между ними (основных законов и аксиом)». Следует отметить, что с точки зрения следующего, второго требования, а именно – непротиворечивости, требование полноты никогда не может быть выполнено целиком. Это вытекает из теоремы Геделя о неполноте. Скорее, речь идет о необходимости и достаточности описания для достижения понимания изучаемых явлений, входящих в сферу теории. Третье требование к научной теории – целостность (системность) и внутренняя самосогласованность (когерентность) ее высказываний, включая процедуры связывания, введения и выведения терминов, о чем речь пойдет при анализе языка науки. Четвертое требование – обоснованность, доказательность входящих в нее положений, включая максимум эмпирически проверяемых и подтверждающих теорию следствий. Пятое – максимальная, в сравнении с конкурирующими теориями, объяснительная сила теории. Этим требованиям соответствуют основные функции теории: системная, объяснительная, предсказательная, методологическая и практическая, притом последняя – в ряде модификаций (прикладная, просветительская, социально-бытовая и другие). Как увидим в следующей лекции, все эти функции созвучны общим социокультурным функциям науки в современном обществе.

Теперь мы можем возвратиться к уже затронутой в 10-й лекции и наиболее интригующей проблеме не только философии науки, но и всей современной культуры – проблеме языка. Это одна из самых острых дискуссионных тем ушедшего века. В его первой половине основоположник популярной в западных научных кругах англо-американской аналитической философии, или неопозитивизма Л. Витгенштейн эффективность науки связал с успешностью ее языка. По его мнению, ученый – это архитектор, философ – чистильщик, а задача философии науки – описывать и разграничивать различные языковые игры, осуществлять аналитическую деятельность по прояснению логической структуры языка и устранять из научного оборота бессмысленные выражения типа «мир есть объективная реальность» или
«в основе бытия следует предположить существование безусловной сущности, или бога». Согласно этой программе, научные высказывания должны быть предельно рациональны и очищены от внешнего балласта, сведены к прояснению опытных данных. В конце ХХ века деконструктивизм, постмодерн в лице Ж. Деррида и множества других весьма популярных сегодня философов провозгласили всю культуру – и научную, и вненаучную, – игрой означающих, то есть знаково-символической языковой системой, в которой посредством манипуляций со знаками, например, путем математического моделирования, можно доказать что угодно и что угодно опровергнуть. Почему? Потому что, согласно этой точке зрения, степень опосредования нашего отношения к умопостигаемому миру культурными символами столь велика, что мы не в состоянии отличить означаемое от означающего, живем в чисто символическом, языковом мире неочевидной, ненаглядной, сверхчувственной реальности. Если воспользоваться новейшей терминологией, то для постмодерна наш мир скорее виртуален, чем реален.

Попытаемся разобраться. Язык – это знаковая система, посредством которой осуществляется человеческое общение на самых различных уровнях, включая мышление и научное мышление. Мышление – это особые способы преобразования предметов, не затрагивающие их материального существования. Можно сказать, что это способность рассматривать предмет опосредованно, т.е. в связях, которые не даны в непосредственном восприятии или практически. Они представляют собой реконструкцию, проектирование, конструирование предмета в идеальном плане. Рассмотрим взаимодействие двух положительных электрических зарядов (уточнение «двух положительно заряженных тел» существа дела не меняет).

Рисунок наглядно моделирует теоретическое представление. Такая модель сверхчувственна, умопостигаема. В бытийном смысле чувственно воспринимаема двунаправленная стрелка, а не реальная связь. Мышление здесь, таким образом – это реконструкция элемента электростатической теории, проектирование в идеальном плане действительности, выраженной на языке электростатики посредством посттеоретического образа.

Рассмотрим теперь уровни языка, отталкиваясь от уже упоминавшейся схемы преобразующей деятельности человека: опредмечивания – распредмечивания. Мысль опредмечивается на трех уровнях. Первый – уровень мимики, жестов, поз, элементарных запрещающих (например, запугивающих) или разрешающих (скажем, побуждающих к какому-либо действию) звуков и знаков, типа знаков дорожного движения. Они могут быть весьма сложными, но отличаются непосредственной наглядностью и присущи всему животному миру, закрепляясь условно либо в виде инстинктов. Второй уровень – живая и письменная речь с учетом того различия, что живая речь – это индивидуальное воплощение мысли в языке, а письменность – интерсубъективное, коммуникативное. Но существует и третий, решающий для культурного развития человечества уровень – предметный, включающий и орудия человеческой деятельности, технику и технологии. Сознание, мышление стало на этом уровне реальностью воплощенных абстракций разума – от «второй природы» до институтов гражданского общества. Разум получил воплощение в идеально-знаковых и в вещественных, предметных моделях. И все эти культурные воплощения мысли есть язык в широком смысле. Поэтому столь обширны по охвату социальные функции языка, из которых в качестве основных выделим четыре: мышления; памяти, в том числе социальной; коммуникативная; управленческая.

Приступим теперь к углубленному анализу специфики языка науки и научной теории. Хотя мы убеждены, что мышление человека есть синтез разума, воли и чувств, научная мысль устроена иначе. Поскольку научное отношение к миру носит рационально-теоретический характер, оно «снимает» волю и чувства в разуме, то есть стремится элиминировать их в научном познании. Это – плата за стремление к объективности и объективной истинности. Ученый – живой человек со своим честолюбием, характером и ценностными предпочтениями, смыслами, но в формулировке теории он устраняет свою субъективность как помеху всеми возможными способами. Даже процесс получения знания должен быть элиминирован в его изложении. Десубъективация, депсихологизация научного знания входит в число обязательных требований. Отсюда распространенные убеждения в научной среде, будто не имеет значения для теории, кто является ее создателем; или будто за пределами научного сообщества этика чужда теоретическому познанию, ибо даже в случае отказа от какой-либо содержащей в себе непредсказуемые или угрожающие возможные последствия программы исследования «все, что может быть открыто или сделано в науке, все равно будет открыто или сделано». Изменения в этом вопросе, произошедшие в философии науки конца прошлого века, научного сообщества пока что практически не коснулись.

В научных исследованиях, как и в обыденном языке, присутствуют следующие три типа понятий: предметные, операциональные и ценностные. Первые относятся к именам предметов, описывают вещи, их свойства и отношения, вторые – действия и операции исследователя, процессы получения знаний (например, комплексные и мнимые величины, комплексные переменные). Третьи, ценностные понятия характеризуют исходные установки проблематизации научного поиска (например, наше убеждение в возможности открытия необходимых, существенных и общих, в пределе всеобщих отношений, то есть законов науки, или в том, что в основе происходящих событий лежат причинные факторы). Однако научный язык существенно отличается от обыденного. Вышеобозначенное стремление к объективности теории и построению эффективной научной коммуникации приводит к традиции максимального упразднения из языка теории ценностных понятий1. Научный язык стремится вывести ценностное знание за рамки науки, строго определив область значений для предметного знания и переведя ценностные суждения, если от них невозможно избавиться, в операциональную форму логико-математического знания. Например, переопределить в формальной логике «сущность» как инвариант знаковой модели; «закон» – как универсальную форму этой модели; «истину» – как правильную связь элементов мысли; «значение» – как правило соответствия между предметом и знаком посредством остенсивно-указательного определения, или установления изоморфного отношения и т.п., как это делают представители аналитической философии науки. Разделение научных понятий на предметные и операциональные позволяет также более четко разграничить познавательные и коммуникативные функции полученного знания.

Рассмотрим, как все это происходит при реальном построении теории. В соответствии с приведенным выше структурированием теории на ядро, периферию и эмпирический базис выделим три уровня языка теории: эмпирический, общетеоретический (теоретический первого уровня) и математизированный (теоретический второго уровня). В качестве примера проведем анализ научного текста, описывающего свойство сверхпроводимости. Известный популяризатор науки П.Л. Капица так разъясняет это свойство: «Некоторые металлы, например, свинец, ртуть, олово и другие, при температуре жидкого гелия внезапно прекращают сопротивление электрическому току…. В сверхпроводящем свинце сопротивление тока во всяком случае в сто тысяч миллионов раз меньше, чем в лучшей меди при комнатной температуре. Сопротивление в сверхпроводящем состоянии так мало, что ток, пущенный по замкнутому кольцу, циркулирует без заметного ослабления в течение многих дней…. Это явление движения без трения электричества в проводах, как показывает существующая теория, противоречит нашим обычным взглядам на движение электронов (носителей электричества в металле) через кристаллическую решетку, так как это движение нормально должно происходить с потерей энергии»1. Это описание близко к эмпирическому уровню языка науки; здесь текст близок к естественному по гибкости и лексике, хотя отличается большей строгостью терминов. В нем констатируется и популярно описывается экспериментальный результат – факт возникновения электрической сверхпроводимости металлов при определенных условиях. Широко используются понятия естественного (обыденного) языка, в методологии науки именуемого нетерминологической лексикой: некоторые, явление, сопротивление, во всяком случае, лучший – худший, комнатная температура. Назначение нетерминологической лексики в тексте эмпирического уровня – дать истолкование вводимых научных терминов опыта через уже известные и также приобретшие почти обыденный общеупотребительный смысл – металлы, электрический ток, трение, электрон, энергия. Новые теоретические термины не вводятся: термин «сверхпроводимость металлов» обозначает здесь новый эмпирический факт. Заметим также, что на уровне эмпирических описаний наряду с предметными и операциональными широко используются ценностные понятия.

А вот описание того же свойства, но на общетеоретическом уровне: «Явление сверхпроводимости представляет…пример квантовых эффектов в макроскопическом масштабе. В сверхпроводящем веществе конечная доля электронов сконцентрирована в «макромолекулу» («сверхтекучую жидкость»). При нулевой температуре конденсация является полной, и все электроны участвуют в формировании этой сверхтекучей жидкости, хотя конденсация существенно влияет на движение электронов, близких к поверхности Ферми. При увеличении температуры часть электронов «испаряется» из конденсата и образует слабо взаимодействующий газ возбуждений (или «нормальную жидкость»), который также распространяется на весь объем системы; нормальная и сверхтекучая компоненты при этом проникают друг в друга. Когда температура приближается к критическому значению Тс, доля электронов, остающихся в сверхтекучей жидкости, стремится к нулю, и система претерпевает фазовый переход второго рода из сверхпроводящего состояния в нормальное»1. Здесь от естественного языка остается лишь форма изложения. Нетерминологическая лексика почти устранена, к эмпирическим и общенаучным терминам добавляется обобщение результатов специально-научного исследования, малопонятного для неспециалистов. Новые теоретические термины (квантовый эффект, сверхтекучая жидкость, поверхность Ферми, газ возбуждения, фазовый переход) выражены пока в вербальной форме, что делает их понятными в рамках научного сообщества, а «остатки» естественного языка выглядят избыточными с логической точки зрения, выполняя лишь функцию «оживления» текста, придания ему общезначимой понятийной формы. Общетеоретический уровень включает систему исходных понятий, принципов и гипотез данной теории, элиминируя даже посттеоретические образы вроде электрона или трения в предыдущем тексте: чувственная данность элиминируется либо опосредуется.

Третий, логико-математический (математизированный) уровень мы лишь обозначим ввиду его полной «бессмысленности» (непонятности) для неспециалистов. «В нормальной фазе вероятность того, что два одночастотных состояния i и j одновременно заняты, есть плавно меняющаяся функция квантовых чисел» (далее несколько строк математических формул) «есть гладкая функция k и k* (до тех пор, пока, меняя k и k*, мы не пересекаем поверхность Ферми)»1. Этот уровень явно предназначен для профессионалов и не содержит «ничего лишнего» – в нем практически исчезли ценностные понятия и нетерминологическая лексика, основой изложения стал строгий, с однозначным истолкованием терминов логико-математический язык. Его основу составляют вербальные и математические абстракции высокого уровня опосредованности.

В связи с продолжающимся ростом абстрактности теоретического знания рассмотрим вопрос о природе научных абстракций. Абстрактные объекты теории – это идеальные конструкты, которые фиксируют умопостигаемое и лишь косвенно могут быть соотнесены с опытом. Мы уже обсуждали вопрос об онтологическом статусе абстракций в связи с номинализмом и реализмом в схоластике. Остановимся на основных способах формирования научных абстракций: обобщение (индукция), ограничение, предельный переход (идеализация, постулирование аксиом). Обобщение – основа типологий, классификаций, аналогии, но не математизированной теории. В ядре теории преобладают абстракции, полученные посредством ограничения и идеализации. Сформулируем высказывание из области механики: «материальная точка движется в центрально-симметричном поле». Понятиям «материальная точка» и «центрально-симметричное поле» не соответствует никакая эмпирическая реальность. Это абстракции, полученные путем предельного перехода с использованием следующих операций: сначала размеры двух взаимодействующих тем устремляются к нулю при сохранении их масс неизменными, а затем массе тела, принимаемого за центральное (например, массе солнца по отношению к земле), в определенных (не всех) отношениях приписывают бесконечно большое значение. Как видим, полученные абстрактные объекты суть идеализации, которые «реально» существуют только в языке научной теории, номинально; с реалистической
(в схоластическом смысле) точки зрения мы могли бы обсуждать возможность их существования также и «в вещах» (например, в смысле реального наличия материальной точки как центра масс у Земли или Солнца).