Глава 2. Естествознание в системе научного знания.

Закономерности динамики научного познания, рассмотренные в главе 1, в полной мере относятся к естествознанию. Очевидно и то, что оно обладает рядом особенностей, обусловленных прежде всего спецификой исследуемых объектов. Задумываемся ли мы над тем, что такое “Вселенная”, когда говорим о ее исследованиях? В различных европейских языках это понятие имеет смысл чего-то всеобщего, всеобъемлющего, максимально протяженного - ср. Universe (англ.), Weltraum (нем.) - мировое помещение ... Между тем как объект наблюдательного и теоретического исследования вселенная - лишь некая ограниченная область, выделенная если не условно или произвольно, то, во всяком случае, соразмерно исследовательским задачам. В результате мы имеем различные “вселенные” не только в различные эпохи, по мере расширения наблюдательных и теоретических горизонтов, но и в одно время - в различных теориях и концепциях. А как уложить в голове возможность реального сосуществования различных вселенных, допускаемую концепцией “ветвящейся” вселенной?

Еще в начале века, когда А. Эйнштейна спросили, в чем различие между временем и вечностью, он ответил: “чтобы это объяснить, потребуется целая вечность!” Прошло почти целое столетие, но до сих пор непросто представить себе предсказанные теорией относительности искривление и сокращение пространства - времени, знаменитый парадокс близнецов, возможность бесконечной, но ограниченной вселенной, расширяющейся вселенной ( а теперь еще и раздувающейся и пульсирующей). Не менее необычны результаты квантовой механики ( обо всем этом подробнее речь пойдет в разделе III).

В современном естествознании совершенно новые черты приобретает проблема соотношения субъекта и объекта исследования: выявляется не только их органичное единство на всех стадиях исследования ( начиная с выбора и выделения объекта до интерпретации результатов), но и то, что субъект, по существу, конструирует объект. Более того, анализируя эту особенность естествознания, мы видим, что, по существу, так происходит в любой предметной области, в самых различных науках.

Естествознание имеет дело - как на теоретическом, так и экспериментальном уровне с объектами исключительно сложными, почти недоступными исследованию. Так, к числу наиболее экзотических и загадочных объектов современной науки относятся “черные дыры” - космические тела столь высокой массы, что их поле тяготения не выпускает ни световое, ни радио -, никакое излучение - а ведь только они могут доставлять информацию. В последнее время появились убедительные свидетельства, что “черные дыры” - не только объекты теории ( предсказанные еще Лапласом), но реально существующие тела. Исключительный интерес представляют сверхплотные состояния, предшествующие “Большому взрыву” ( Big Bang) расширяющейся вселенной, однако о них мы можем судить только по теоретическим экстраполяциям ( перенесению теоретических выводов на прошлое), обнаруживающим свои пределы применимости задолго до приближения к “нуль - точке” или по косвенным наблюдательным свидетельствам- реликтовому излучению, доходящему от источников, давно уже прекративших свое существование, как вестник из далекого прошлого.

Неслучайно огромную известность приобрела книга нобелевского лауреата С. Вайнберга “Первые три минуты” ( после взрыва). Не менее характерно, что когда Дж. Гамова ( 1904-1968), одного из авторов “расширяющейся вселенной”, спросили, а что же было до большого взрыва, он напомнил ответ Св. Августина на вопрос, чем же занимался Бог до шести дней творения - готовил ад для тех, кто осмелится задать такой вопрос. Современная наука все более задается такими адскими вопросами, и именно поиски ответов на них составляют ее прогресс. Так, в своей нобелевской речи биолог Ф. Крик, открывший структуру РНК и ДНК - молекул генетического кода, сообщил, что этого успеха он достиг потому, что еще в ранней молодости отделил вопрос об их структуре от вопроса, почему она именно такая. Читатель догадался, что такой вопрос задали уже ученики Ф. Крика!

Современное естествознание имеет дело с ветвящимися мирами, гиперскоростями, исчезающе малыми величинами, виртуальными частицами. Хотя наука ориентирована на предметное и объективное исследование реальности (включая в это исследование объекты, которые могут стать предметом практического освоения только в будущем), в ней приходится иметь дело с объектами, не сводимыми к наглядным предметам обыденного опыта.

Целый ряд объектов исследования естественных наук является теоретическими конструктами, не имеющими реальных прототипов и даже аналогов. Подобная ситуация издавна знакома естествознанию, но при введении, скажем, понятий идеального газа, абсолютно упругого удара или абсолютно черного тела предполагалось, что, хотя таковых не существует в природе, но эти идеализации отталкиваются от реальных аналогов, идеализируя, выделяя те или иные их особенности для разностороннего исследования. В эпоху классического естествознания ученый был убежден в реальном существовании теплорода, флогистона, эфира, хотя и сознавал, что, скажем, теплород не обязательно должен быть жидкостью с приписываемыми ей свойствами, обеспечивающими перенос тепла. Именно поэтому буквально трагедией оказался для ученых классической формации вывод опыта Майкелсона - Морли (1881 г.) о том, что эфир попросту не существует (после того, как он прослужил в течение нескольких веков в качестве исключительно полезного теоретического конструкта).

Даже после поучительных уроков, связанных с крахом механико-математических представлений, ученые, приученные к соответствующему стилю мышления, продолжали стремиться к наглядным моделям (так, яркий пример - планетарная модель атома Резерфорда, сменившаяся затем моделью Зоммерфельда - Бора, где электроны, вращаясь по орбитам вокруг ядра, могли уже перескакивать с одной орбиты на другую, испуская или поглощая квант энергии). Признания же, что они вовсе не вращаются по орбитам, а лишь меняют свой энергетический уровень, и по сей день не встретить в учебниках физики ( во всяком случае, школьных). Опять же к этому надо относиться с пониманием, оправдывая естественностью стремления к наглядности. Но что сказать о виртуальных частицах, появившихся в физике уже в первой половине века (задолго до модной сейчас виртуальной реальности) - вопрос о реальности или нереальности их существования покажется современному физику столь же неуместным и невежественным, как пресловутый вопрос о конях спереди или сзади локомотива. Получается так, что сам вопрос о реальности шаг за шагом сменяется, замещается вопросом о допустимости или недопустимости тех или иных конструктов в той или иной теории.

Особенности объектов естественнонаучных теорий делают недостаточными те средства, которые применяются в обыденном познании. Прежде всего сказанное относится к языку науки, все более специализирующемуся по мере ее развития. Становится неизбежным особый понятийный аппарат, включающий такие понятия, как “странность” или “очарование” - со строгим научным статусом и вполне конкретным содержанием, в них вкладываемым. Наряду со специализированным языком естествознание все более нуждается в развитии особых средств и методов исследования, как теоретических, так и экспериментальных. Развитие естественных наук неоднократно приводило к созданию специального математического аппарата ( логарифмы в эпоху Кеплера, дифференциальное и интегральное исчисление у Декарта и Лейбница, тензорный анализ - новый раздел математики, который потребовался Эйнштейну для создания общей теории относительности и был создан по его просьбе коллегой - математиком).

Специфика современного наблюдательного и экспериментального естествознания связана прежде всего с быстрыми изменениями исследуемых состояний, недоступностью объектов, неоднозначностью в интерпретации опытных результатов, их теоретической нагруженностью ( то есть зависимостью от теории, на основе которой ставится опыт). Эти проблемы решаются также по-разному. Хорошо известен пример Архимеда, который смог установить наличие примесей в золотой короне ( которую, конечно, нельзя было распиливать) гениально просто - по объему вытесненной жидкости. Вопреки легенде о ядрах, бросаемых Галилеем с пизанской башни, он в этом не нуждался ( да и ничего бы это ему не дало, при том уровне измерительной техники). Сыграв в остроумную игру с природой, он судил об ускорении по количеству жидкости, вытекающей по желобам при различном наклоне (см. гл. 6). По крайней мере к XVII в. относятся свидетельства о создании на Земле такой “приборной ситуации”, в которой для измерения скорости света (Олаф Рёмер) использовалось другое небесное тело ( спутник Юпитера), отражавшее свет.

Широко используется в естественнонаучных исследованиях мысленный эксперимент, моделирующий ситуацию, невоспроизводимую в реальном эксперименте (“демон” Максвелла, мысленный эксперимент М. Смолуховского; мысленные эксперименты А. Эйнштейна и Н. Бора, составившие основу их многолетнего научного спора и столь способствующие развитию всего неклассического естествознания). В последние годы разработана остроумная методика исследования даже таких “принципиально недоступных” наблюдательному изучению объектов, как “черные дыры” - по аномальному поведению излучения других тел в “окрестностях” предполагаемых “дыр”. В исследованиях сверхплотных объектов, сверхнизких и сверхвысоких температур, в космологических теориях все более используются косвенные аспекты критерия практики, связанные с внутритеоретическими достоинствами конкурирующих теорий, с сохранением результатов теории при переходе к новой, более объемлющей теории, и так далее. Системный характер знания обеспечивает перенос истинности знания с одних фрагментов природы на другие, объединение уже “обкатанных” идеальных конструктов, без непосредственного обращения к практической проверке (например, унификация земных и небесных движений Галилем после открытия Коперника, исследования химического состава космических тел по спектральному анализу их излучения).

Надо заметить, что даже использование научных результатов в производстве и обыденном опыте отнюдь не является исчерпывающим или хотя бы достаточно убедительным доказательством их истинности, адекватности реальности, проникновения в сущность исследуемых явлений. Так, эффективность известного в Средневековье снадобья от головной боли из орехов объяснялась симпатией различных веществ, симпатией и антипатией различных элементов объяснялись результаты алхимических опытов ( безусловно, несущих в себе ценное ядро, легшее затем в основу химии).

Требование к любому научному знанию - не только выявлять, как устроен мир, но и объяснять, почему он устроен именно так, с соответствующими химическими элементами, физическими константами и так далее. Это требование, отчетливо сформулированное И. Кеплером еще четыре века назад ( а в античности - пифагорейцами), по существу, было повторено в наше время Эйнштейном, убежденным, как и Декарт, Ньютон, Бойль, что “Бог изощрен, но не злонамерен”, позволяя познавать свое творение пытливому и истовому исследователю. Рассмотренные особенности научного знания определяют его строение и характер взаимосвязи структурных уровней. В научном знании выделяются два основных уровня, эмпирический и теоретический, которым соответствуют два взаимосвязанных, но в то же время специфических вида познавательной деятельности - эмпирическое и теоретическое исследование.

Вопрос об их соотношении имеет длительную предысторию, восходя к античности и приняв особенно принципиальный характер в естествознании XVII-XVIII в.в., когда он был отнесен к проблеме самих начал научного познания (см. гл. 6). Именно с этого периода сложилось довольно устойчивое заблуждение, когда категории “эмпирическое” и “теоретическое” отождествляют с категориями “чувственное” и “рациональное” (от лат. ratio - разум).

Выделяя эмпирический и теоретический уровни научного познания, современный исследователь отдает себе отчет в том, что если в обыденном познании правомерно различать чувственный и рациональный уровни (хотя опять же не фетишизируя их различия), то в научном познании эмпирический уровень исследования никогда не ограничивается чисто чувственным знанием; точно так же теоретическое знание не представляет собой чистую рациональность. Даже первичный слой эмпирических знаний - данные наблюдений - всегда фиксируется в определенном языке, который использует не только обыденные понятия, но и специальные научные термины, рождающиеся уже на рациональной ступени. Любой самый элементарный научный факт выступает как результат сложной обработки данных наблюдений: их анализа, интерпретации, осмысления. Так, если мы лишь фиксируем в опыте отклонение стрелки амперметра или весов, все равно не должны забывать, что устройство даже столь простых приборов основано на определенной теории. Тем более очевидна “теоретическая нагруженность” таких “эмпирических фактов”, как расширение Вселенной (о чем мы судим на основании определенной теоретической интерпретации красного смещения в спектрах галактик), результаты анализов “треков” элементарных частиц, полученных в камере Вильсона, и так далее.

Теоретическое знание также не представляет собой чистую рациональность. При построении любой теории используются наглядные модельные представления, которые являются порождениями чувственного восприятия, даже сложные и высокоформализованные теории включают в свой состав объекты типа идеального маятника, абсолютно твердого тела, волны и так далее.

Таким образом, можно сказать лишь то, что на низших уровнях эмпирического исследования преобладает чувственное, а в теоретическом - рациональное. В чем же состоят критерии различения эмпирического и рационального уровней? И эмпирическое, и теоретическое познание направлены на одну и ту же реальность, различны ее видение, степень охвата, глубина проникновения. На уровне эмпирического исследования отнюдь не исключено выявление зависимостей между явлениями, определенных природных и общественных закономерностей. Так, много действительно существующих закономерностей, практических рецептов выявлено в алхимии, народной медицине. Впервые эмпирическим путем, в опыте были установлены законы Бойля - Мариотта, всемирного тяготения. Но если эмпирический закон может уловить лишь внешнее проявление, выражение объективно существующих связей, теоретический закон доходит до уровня сущностных связей, до их объяснения, представляя обнаруженную связь явлений как своего рода логическую необходимость. Именно это обеспечивает предсказательную способность теоретического знания.

Теоретическое и эмпирическое исследование различаются и применяемыми средствами. Только в опыте и эксперименте исследователь непосредственно действует с исследуемыми объектами. Но даже эмпирические объекты не совпадают с реальными природными, социальными и духовными объектами, представляя собой идеализации - на пути к теоретическим абстракциям. Замечательный пример единства эмпирического и теоретического представляют собой упоминаемые выше эксперименты Галилея, любые мысленные эксперименты.

С вопросом соотношения эмпирического и теоретического тесно связано соотношение рационализма и интуиции в естественнонаучном познании. В действительности они, конечно, переплетаются и органично дополняют друг друга. Вместе с тем, нельзя обойти вниманием, что если на пути к открытию ученого часто ведет интуиция (основанная на длительном исследовательском опыте), то после завершения исследования он просто обязан обосновать его и, по возможности, описать шаги, ведущие к открытию. Последнее оказывается подчас невыполнимой задачей, в чем признавались и Эйнштейн, и Бор, и Планк. Большинство ученых подпишутся под словами великого математика К. Гаусса: “Вот мой результат, но я пока не знаю, как получить его”.

Очевидно, что известные в науке случаи озарений, счастливых случайностей в действительности венчают многолетний научный поиск, опирающийся на логически взвешенные шаги и аргументы, которые использует ученый в диспуте с самым строгим критиком - самим собой. Сами эти аргументы, однако, весьма различны и не всегда убедительны со стороны. Так, Дж. Максвелл сугубо из “соображений симметрии” ввел в одно из четырех своих уравнений электромагнитного поля дополнительный член , смысла которого он не брался тогда объяснить, но который имел, как оказалось, принципиальное значение - диэлектрической постоянной. Эстетические соображения ( красота, простота теорий как свидетельство выражения в них глубинных закономерностей природы) в равной мере были руководством и для античных натурфилософов, и для Кеплера, и для Эйнштейна.

Как писал В. Гейзенберг А. Эйнштейну, “простота природных законов носит объективный характер.... Когда сама природа подсказывает математические формы большой красоты и простоты ... формы, о существовании которых никто еще не подозревал, то поневоле начинаешь верить, что они “истинны”, то есть выражают реальные черты природы” ( В. Гейзенберг. Физика и философия. Часть и целое. - М., 1989. С. 196.). В таком же плане можно понять нобелевского лауреата Ю. Вигнера, который говорит о “непостижимой эффективности математики в естественных науках” (так называется целая глава в его книге “Этюды о симметрии”). Во все времена ученого ведет своеобразная гносеологическая (от греч. гносис - знание) вера, сродни религиозной - в познаваемости мира, возможности прочтения “книги Природы”, как бы подсказывающей нам необходимый язык. Эту часть изложения стоит завершить знаменитой фразой великого физика XX в. Нильса Бора, которой в оценке предложенной на его суд теории заявил: “Она недостаточно сумасшедшая для того, чтобы быть верной!”

Принципиальное значение имеет вопрос о соотношении мировоззрения и методологии. Так, для субъективного идеализма и его модификаций XX века, махизма и эмпириокритицизма, “мир - это комплекс восприятий” (Дж. Беркли, XVIII в.); “не вещи (тела), а пространства, времена, цвета, запахи, звуки, давления - то, что мы называем ощущениями - есть подлинные элементы мира” (Э. Мах). При такой мировоззренческой основе естественнонаучное познание открывает нам не объективный мир (который сам “гипотетичен”), а особенности нашего мышления, мысленных конструкций и схем. В свою очередь, объективный идеализм, то есть признание материального мира порождением некой высшей, объективно существующей идеи неизбежно ставит принципиальные ограничения возможностям научного познания. Логично, что во все времена естествоиспытателям был присущ по крайней мере стихийный материализм, взгляд на “природу как причину самой себя” ( Б. Спиноза), нацеленность на исчерпывающее объяснение природных явлений природными же силами. Еще философ XVIII века Д. Юм писал: “Как для верующего естественно видеть источник ощущений в Боге, так для естествоиспытателя он в природе”. Вместе с тем здравое критическое зерно идеализма, единство - борьба, своеобразная дополнительность материалистического и идеалистического мировоззрений как раз способствовали развитию научного познания, а любые ограничения, накладываемые на науку из идеологических соображений (пресловутая лысенковщина, например) разрушали естественный ход науки. Современная познавательная ситуация в естествознании, по существу, размывает резкую границу между материализмом и идеализмом, делает их толерантными, терпимыми друг к другу, внимательными к доводам той и другой стороны.

Взаимообусловленность мировоззрения и методологии прослеживается буквально на всех этапах исследования, в различных конкретных проявлениях. Так, изменившееся после Коперника мировоззрение сделало неизбежным такой методологический шаг, как унификацию, объединение небесных и земных движений, напрямую с мировоззрением связаны различные, подчас противоположные методологические подходы к объяснению жизни.

При всей своей специфике естествознание опирается на общелогические и общенаучные методы, эмпирические и теоретические, соответствующим образом адаптируя их. Часто они сочетаются, комбинируются, как правило, интуитивным, стихийным образом.

Общелогические методы являются общенаучными, применяясь в любой области исследования и позволяя выявлять связи и отношения предметов и их сторон, определять их место в системе целого.

Анализ - это расчленение (мысленное) целого предмета на составляющие части (признаки, свойства) с целью их всестороннего изучения.

Синтез - соединение ранее выделенных и исследованных частей вновь в целое, но уже на уровне понимания и объяснения выявленных связей.

Абстрагирование - сознательное отвлечение от ряда свойств и отношений изучаемого явления с одновременным выделением, акцентированием интересующих нас свойств и связей. На основе абстрагирования становится возможным образование понятий. Близким методом является идеализация.

Обобщение - прием мышления, в результате которого устанавливаются общие свойства и признаки предметов. На этом пути можно переходить к более объемным понятиям ( растение, живой организм и так далее).

В процессе исследования нередко приходится, на основе уже имеющегося знания, делать выводы о неизвестном - благодаря сочетанию методов индукции и дедукции. Индукция - это переход в рассуждении от частного (выявленного, например, в опыте) к общему выводу. Дедукция же, напротив - переход от известного общего к единичному, частному. Хрестоматийным примером челночного сочетания этих двух методов является построение периодической системы Менделеева.

Еще одним из общелогических методов является аналогия - на основе сходства объектов по какому-то признаку или ряду их заключают о сходстве в них других признаков. Так, после установления, что свету присущи интерференция и дифракция, выявленные ранее у звука ( обладающего волновой природой), было сделано предположение о волновой природе и света ( ранее обнаруживающего корпускулярные свойства). По аналогии устанавливалась принадлежность тех или иных элементов к металлам, проводникам и так далее. Умозаключения по аналогии составляют гносеологическую основу моделирования - изучения объекта путем создания и исследования его копии, замещающей оригинал с точки зрения интересующих нас сторон. Модели могут быть материальными (модель самолетов в аэродинамической трубе) и мысленными ( модель атома, модель сознания).

Общелогические методы применяются и на эмпирическом, и на теоретическом уровнях исследования, но при этом они специфическим образом преломляются через систему методов, характерных именно для соответствующего уровня.

Исходным методом эмпирического познания является наблюдение. Важнейшим отличием научного наблюдения является его сознательный, целенаправленный характер. Так, астроном наблюдает звездное небо не наобум, а определенный участок неба в определенное время. Тесно связан с наблюдением эксперимент, с той разницей, что в эксперименте наблюдаются явления не независимо от нас протекающими, а в ситуации, которую на основе имеющихся знаний о предмете и технических средствах искусственно создал экспериментатор с целью наиболее отчетливо выявить интересующие его свойства (например, исследователь элементарных частиц в ускорителях или живых организмов в специально созданных условиях).

Что касается методов, характерных для теоретического исследования, выделим следующие. Формализация - это построение абстрактно - математических моделей, когда рассуждения о предмете переносятся в плоскость оперирования со знаками ( формами), тогда производится вывод новых форм по правилам логики и математики. При аксиоматическом методе производится логический вывод на основе каких-либо заранее принятых без доказательства аксиом. Так была построена вся геометрия Евклида и даже “Этика” Спинозы. В развитой науке аксиомы предлагаются как некоторая предполагаемая к исследованию система отношений, отвлеченных от их носителя и исследуемых аппаратом математической логики. Возможности этих методов также не безграничны ( как это казалось до середины 30-х годов, когда была открыта знаменитая теорема Геделя). В науках, так или иначе имеющих эмпирическую основу, более эффективным является гипотетико-дедуктивный метод. Сущность его - в создании системы связанных между собой гипотез, из которой дедуктивным образом выводятся эмпирически проверяемые ( и тем самым свидетельствующие об истинности общей теории) следствия. Этим путем шло развитие и подтверждение теории относительности, а анализ определенных следствий из нее задал целые направления современной науки.

Важнейшим из теоретических методов исследования является восхождение от абстрактного к конкретному, когда создание определенных абстракций (товар, материя) является необходимым для понимания полноты реальных связей и явлений.

Особо следует также сказать о сочетании исторического и логического методов. Такое сочетание совершенно необходимо при исследовании сложных развивающихся систем (эволюция вселенной, общества, происхождение жизни). В основе исторического метода лежит изучение деталей истории объекта, с целью выявления логики его развития. Логический же метод особенно ценен, когда неизвестны факты ранней истории: объективная логика явления раскрывается путем исследования высших стадий исторического процесса ( развитие космических систем, живых видов, геологических систем, общества). В действительности оба эти метода тесно взаимосвязаны и дополняют друг друга (“История без логики слепа, логика без истории беспредметна”, - писал И. Кант). То же самое правомерно сказать практически обо всех методах научного исследования, выбор и сочетание которых в конкретных исследовательских задачах определяется интуицией ученого, его знаниями и опытом. И, конечно, в любом случае и в первую очередь методы исследования подсказываются самими исследуемыми объектами.

Завершая главу, вновь подчеркнем, что естествознание относится к той области познания, духовной деятельности, о которой недопустимо судить по непосредственным практическим результатам. Это особенно важно учесть на нынешнем этапе нашей чрезмерно практизированной жизни. Вспоминается в этой связи, как на недавней международной конференции по образованию профессор Хартфордского университета (США), увлеченно рассказывавший, какие технические чудеса им удается совершать, с грустной улыбкой признал, что если бы сейчас к ним пришел наниматься на работу “некий Альберт Эйнштейн”, его бы скорее всего не приняли.

Естествознание, как любая фундаментальная наука, самоценно, ценно с точки зрения познания мира, и трудно сказать поэтому, чего больше - невежества или лукавства - в характерных для нынешнего спекулирования нищетой высказываниях типа “сами понимаете, сейчас не до науки, вот немного встанем на ноги...” Без науки никогда не встанем - ни в практическом, ни в моральном, человеческом отношении. Будучи самоценным, фундаментальным, естествознание продолжает сочетать “плодоносное” и “светоносное” знание (Ф. Бэкон), сохраняя и далее наращивая свой практический потенциал, свое мировоззренческое и методологическое значение, распространяя методы и выводы своих ведущих концепций - самоорганизации, синергетики, коэволюции на самые различные области практической и духовной деятельности.