L14. Структура естественнонаучного знания

ДОРАБОТАННЫЙ КОНСПЕКТ

Данный конспект прошёл сверку с видеозаписью лекции, поэтому никакой информации не упущено. Более того: добавлены новые интересные детали к примерам, озвученным в лекции. Лектором курса конспект ещё не проверялся.

TL; DR: А можно как-то покороче?

Держи картинку, в которой всё кратко и по делу! Нажми на неё и "открой в новой вкладке".

Автор пожертвовал кучу своего времени на этот шедевр. Ты знаешь, как сказать "спасибо" 😉

Два уровня естественнонаучного знания

Естественнонаучное знание имеет два уровня:

1. Эмпирический (др.-греч. ἐμπειρικός «опытный; эмпирик», из ἐμπειρία «опыт, опытность»)

2. Теоретический (лат. theōrēticus, др.-греч. θεωρητικός «умозрительный, созерцательный»)

Эмпирический уровень знания представлен в виде фактов и эмпирических закономерностей. Задача этого уровня: получать факты и их обобщать, находя эмпирические закономерности. Эмпирические закономерности — процедуры, в результате которых мы наблюдаем закономерности в области фактов. Мы их обобщаем, классифицируем.

Задача теоретического уровня: дать названия и описания этих объектов, систематизировать факты для построения научной теории.

Прежде чем мы рассмотрим оба уровня естествознания, рассмотрим сперва элементы и методы, которыми оба уровня оперируют.

Понятие факта. "Факт 1" и "факт 2"

Что такое факт? Понятие "научный факт" имеет два определения. Иногда, для удобства, их различают, как "факт 1" и "факт 2". В чём разница?

Понятие научного факта

Факт 1. С одной стороны, факт означает элемент самой реальности: то, что относится к области реальности. Это познаваемое явление или событие, некий элемент реальности, не зависящий от того, как мы это знание понимаем и как его выражаем.

О "факте 1" в своё время писал Де Бройль:

Научный факт существует независимо от представлений, служащих для его выраженния.

Факт 2. Это высказывания, которые фиксируют "факт 1". Обратите внимание, что это уже элемент не реальности, а элемент знания, то есть, он относится к области знания, а не к области реальности. Элемент знания о реальности. "Факт 2" представляет собой высказывание, фиксирующее то или иное явление, событие ("факт 1") в высказываниях и научных терминах.

Эти понятия "факт 1" и "факт 2" нужно различать. Фиксация фактов — это уже некая работа человека. Это не реальность, которая независима от наличия человека. К примеру, "факт 1" существует даже если нет человека, который этот факт познаёт. А "факт 2" не может появиться без человека, познающего субъекта, его деятельности. "Факт 2" представляет собой некую информацию о "факте 1" и тут уже возможны искажения истины относительно реальности.

Общие методы познания

Вначале мы рассмотрим общие для обоих уровней естественнонаучного знания (эмпирического и теоретического уровней) методы познания.

Анализ & абстрагирование

Происходит из др.-греч. ἀνάλυσις «разложение, растворение».

Мы какое-то явление или событие мысленно раскладываем на составные части. И в рамках этой операции анализа существует такой общий метод, как абстрагирование. Это значит, что мы выделяем какую-то характеристику объекта, существенную для нашего познания.

Абстрагирование по Аристотелю

Вспомним, в чём Аристотель и Платон различались в отношении к математике. Платон считал, что математические объекты — действительно существуют, это элементы реальности. Аристотель считал, что математические объекты — это абстракции.

По Аристотелю, при абстрагировании мы выделяем какую-либо конкретную характеристику объекта, и рассматриваем объект только с точки зрения этой характеристики. Мы мысленно отделяем эту характеристику от реального объекта.

Так, рассматривая медный шар, нас может не интересовать материал, из которого сделан шар. Нам может быть важна лишь его геометрическая форма. Для цели исследования мы изучаем свойства геометрического шара, не важно из чего сделан этот шар или насколько он тяжёлый.

Виды абстракций:

• Изолирующие: отделяющие какую-то одну характеристику объекта и рассматривающие только её.

• Обобщающие: служат для удобства обработки информации об объекте.

Пример изолирующей абстракции

Например, понятие цвета. Цвет сам по себе не существует в природе, это лишь характеристика какого-либо объекта. Поэтому когда, например, мы говорим "белизна", мы используем изолирующую абстракцию. Мы мысленно от всех предметов, обладающих характеристикой "белый цвет" отделяем эту характеристику и изолируем её, чтобы иметь возможность использовать её в языке независимо.

Пример обобщающей абстракции

Нововведения в начале 18 столетия в области классической механики. Первоначально движение описывалось с помощью трёхмерной системы координат, то есть XYZ-координат. Соответственно, движение N материальных точек описывалось 3N-координатами.

Затем, для удобства, вместо этого было введено конфигурационное пространство, которое описывало 3N-мерное пространство (а не 3-мерное, как раньше). И, наконец, была введена ещё более высокая степень обобщения: фазовое пространство. Это значительно упростило и ускорило вычисления в области классической механики.

Идеализация

Для целей научного познания вводится некий идеальный объект с заранее заданными характеристиками для описания и изучения реальных объектов.

Пример идеализации

В той же классической механике идеализацией является понятие материальной точки.

В термодинамике — понятие идеального газа.

Синтез

Соединение выделенных в ходе анализа сторон предмета в единое целое называется синтезом.

Противоположен анализу. Здесь наоборот: мы из частей выстраиваем целое. Синтез первоначально считался синонимом дедукции, ведь он рассматривался как выстраивание научного знания в виде системы взаимосвязанных высказываний, в которых наблюдается логический вывод одних высказываний из других. Когда-то это тоже называлось синтезом.

Дедукция

Вывод частного из общего или переход от общего к частному называется дедукцией. Схема дедукции в общем виде, как ещё было представлено Аристотелем, выглядит так:

Вначале предполагается, что некое свойство присуще классу объектов. Затем утверждается, что некий объект А принадлежит этому классу объектов. Далее, делается вывод, что объект А должен обладать свойством, которым обладают все объекты этого класса. Таким образом, мы переходим от некого общего закона — к частному случаю.

Индукция

От частного переходим к общему. По единичным представителям класса делаем вывод о всех представителях класса.

Эмпирический уровень естествознания

Эмпирический уровень: знания представлены в виде фактов и эмпирических закономерностей.

Задача эмпирического уровня: получать факты и их обобщать, находя эмпирические закономерности.

Эмпирические закономерности — процедура, в результате которой мы наблюдаем закономерности в области фактов. Мы их обобщаем, классифицируем.

Научное знание на эмпирическом уровне (помимо общих методов) получается двумя способами : с помощью наблюдения и эксперимента.

Научное наблюдение

Чем научное наблюдение отличается от обычного?

1. Научное наблюдение служит выполнению определённой задачи, оно проводится с какой-то целью.

2. Оно имеет систематический характер.

3. Как правило, используются специальные средства для наблюдения.

Наблюдение используется в тех случаях, когда мы не можем изменить объект или управлять им. Это и характеризует наблюдение: мы не можем воздействовать на объект.

Примеры, когда мы не можем воздействовать на объект:

• астрономия;

• природные явления.

Эксперимент

Эксперимент — исследование объекта путём активного целенаправленного и контролируемого воздействия, посредством которого становится возможным:

1. Изолировать объект от влияния несущественных для исследования факторов. Например, Галлилей при изучении маятника латентные колебания не учитывал. Одно дело — маятник на прямой, негнущейся нитке. Другое — маятник на цепи из подвижных звеньев. Аэродинамическое сопротивление среды также не учитывалось. Другой пример: экранирование объекта для проведения эксперимента.

2. Многократно воспроизводить процесс исследования. Для эксперимента крайне важна его воспроизводимость: только в таком случае эксперимент имеет научную ценность.

3. Планомерно, контролируемо варьировать и комбинировать различные условия.

Нужно отметить, что к разряду экспериментов относится процесс измерения. Ведь это тоже своего рода метод эмпирического исследования объекта: сравнение некоторой величины изучаемого объекта с эталонной величиной. Здесь важно, что сравнение измеренной величины с эталоном — является экспериментом!

Примеры

Линейка. Мы линейкой измеряем величину стола. Где здесь эксперимент? Но, если присмотреться: с чего начинается измерение? С выделения измеряемой величины. При этом мы абстрагируемся от особенностей, которые мы признаём несущественными для процесса измерения.

Измерение площади земельного участка. Она не предполагает точность до миллиметра или учёт неровностей поверхности.

Итак, мы знаем, что процесс измерения — это физическое сравнение характеристики объекта с эталонной характеристикой. Но в некоторых случаях получается, что процесс измерения оказывает воздействие на измеряемый объект! Например, в квантовой физике измерительная процедура неизбежно сопровождается воздействием на изучаемый микрообъект объект с помощью макроприбора.

Классификация экспериментов

• По объекту исследования:

  • физические;

  • биологические;

  • и т. д.

• По цели:

  • поисковые эксперименты: например, бомбардирование золотой фольги альфа-частицами (опыт Резерфорда)

  • проверочные эксперименты: когда эксперимент проводится с целью подтверждения или опровержения той или иной гипотезы.

• По средствам и условиям:

  • натурные: прямые, изучаем объект непосредственно;

  • модельные: объект исследуется путём экспериментирования с замещающей этот объект моделью.

Модельные эксперименты

Зачастую модельное экспериментирование имеет явные плюсы: в тех случаях, когда нам затруднительно работать с реальным объектом. Моделью может быть любая система: мысленно-представимая или реально существующая. В этом отношении различаются субтрато-подобные модели и субтрато-неподобные модели.

Субтрато-подобные модели: модель в миниатюре представляет объект. Например, эксперименты в аэродинамической трубе модели самолёта. Субтрат модели подобен субтрату самого объекта.

Субтрато-неподобные модели: работа с моделью является работой с некой знаковой системой. Например, моделируются климатические условия.

Особенность и проблемность модельного эксперимента: нужно теоретически обосновать соотношения между моделью и натурным объектом. Между натурным объектом и нами возникает промежуточное звено: модель. Теория подобия, на основе которой обосновывается возможность выводы относительно модели переносить на натурный объект, остаётся именно теорией. А значит, здесь включается фактор, который может приводить к ошибкам. И науке известно множество примеров, когда использование моделей приводило исследователя к неверным выводам относительно реального положения дел.

Аристотель: сторонник наблюдения, противник экспериментов.

Аристотель был сторонником научного наблюдения, поскольку считал, что любое вмешательство в естественный ход вещей нарушает естественность процесса и явление перестаёт вести себя как обычно. Поэтому он считал, что в его любимой науке — биологии — экспериментирование недопустимо. Ведь воздействие на объект необратимо его исказит. А задача стояла: изучить объект в естественных для него условиях (по Аристотелю). Вторгаясь в объект, мы нарушаем его естественное существование, поэтому будем иметь о нём искажённое представление.

Проблемы эксперимента в психологии

Даже в наше время эта особенность встречается. К примеру, в начале 20 века психология стала разрабатывать методы экспериментального исследования человека, чтобы стать похожей на настоящую науку. Но столкнулась с проблемой: человек — это очень сложный объект. Условия эксперимента могут исказить его естественное поведение. Поэтому по результатам такого эксперимента нельзя судить о естественном поведении человека.

Теоретический уровень научного естествознания

Как мы помним, эмпирический уровень даёт нам факты. Теоретический же эти факты объясняет.

Задача теоретического уровня: дать описания и объяснения фактов.

Формы научного знания на теоретическом уровне: гипотезы и научные теории.

Вообще говоря, основной формой научного знания на теоретическом уровне является именно научная теория, однако мы вначале поговорим о гипотезе, поскольку они структурно проще. С точки зрения истории гипотеза часто развивалась в научную теорию: вот ещё одна причина, почему мы вначале поговорим о ней.

Гипотезы

Гипотеза — от др.-греч. ὑπόθεσις «основа; предположение».

Смысл гипотезы: предположения о связях между явлениями, о причинах явлений и так далее.

Виды гипотез

1. Гипотезы о характере конкретной функциональной формы некой эмпирической зависимости.

2. Гипотезы о наличии неких ранее неизвестных характеристик у известных объектов.

3. Гипотезы о существовании ранее неизвестных, каких-либо совершенно новых объектов.

4. Ad-hoc гипотезы.

5. Мысленные эксперименты.

Рассмотрим каждый вид гипотез более подробно, приведём интересные примеры.

1. Гипотеза о характере конкретной функциональной формы некой эмпирической зависимости

Мы предполагаем, что эта зависимость имеет какой-нибудь, например, параболический характер. И, затем, с помощью статистических методов мы эту гипотезу можем подтвердить или опровергнуть.

2. Гипотеза о наличии неких ранее неизвестных характеристик у известных объектов

Пример: предположение о спине электрона.

В 1924 г. Паули выдвинул гипотезу, что, помимо известных трёх квантовых чисел, частица может обладать четвёртым квантовым числом, которое может обладать только двумя значениями. И в 1925 году была выдвинута гипотеза о наличии у электрона спина.

3. Гипотеза о существовании каких-либо совершенно новых объектов

**Пример из истории: ** история открытия нейтрино

(Отрывок статьи "история открытия нейтрино")

Одной из основных проблем в ядерной физике 20-30-х годов XX века была проблема бета-распада: спектр электронов, образующихся при β-распаде, измеренный английским физиком Джеймсом Чедвиком ещё в 1914 году, имеет непрерывный характер, то есть, из ядра вылетают электроны самых различных энергий.

С другой стороны, развитие квантовой механики в 1920-х годах привело к пониманию дискретности энергетических уровней в атомном ядре: это предположение было высказано австрийским физиком Лизой Мейтнер в 1922 году. То есть спектр вылетающих при распаде ядра частиц должен быть дискретным и показывать энергии, равные разницам энергий уровней, между которыми происходит переход при распаде. Таковым, например, является спектр энергий альфа-частиц при альфа-распаде.

Таким образом, непрерывность спектра электронов β-распада ставила под сомнение закон сохранения энергии. Вопрос стоял настолько остро, что в 1931 году знаменитый датский физик Нильс Бор на Римской конференции выступил с идеей о несохранении энергии. Однако было и другое объяснение — «потерянную» энергию уносит какая-то неизвестная и незаметная частица.

Гипотезу о существовании чрезвычайно слабо взаимодействующей с веществом частицы (в качестве объяснения кажущегося нарушения закона сохранения энергии в бета-распаде) выдвинул 4 декабря 1930 г. Паули — не в статье, а в неформальном письме участникам физической конференции в Тюбингене:

…имея в виду … непрерывный β-спектр, я предпринял отчаянную попытку спасти «обменную статистику» и закон сохранения энергии. Именно, имеется возможность того, что в ядрах существуют электрически нейтральные частицы, которые я буду называть «нейтронами» и которые обладают спином ½… Масса «нейтрона» по порядку величины должна быть сравнимой с массой электрона и во всяком случае не более 0,01 массы протона. Непрерывный β-спектр тогда стал бы понятным, если предположить, что при β-распаде вместе с электроном испускается ещё и «нейтрон», таким образом, что сумма энергий «нейтрона» и электрона остаётся постоянной.

Я признаю, что такой выход может показаться на первый взгляд маловероятным… Однако, не рискнув, не выиграешь; серьёзность положения с непрерывным β-спектром хорошо проиллюстрировал мой уважаемый предшественник г-н Дебай, который недавно заявил мне в Брюсселе: «О… об этом лучше не думать вовсе, как о новых налогах».

— «Открытое письмо группе радиоактивных, собравшихся в Тюбингене», цит. по М. П. Рекало, «Нейтрино».

Паули назвал предложенную им частицу «нейтрон». Когда Джеймс Чедвик обнаружил гораздо более массивную нейтральную ядерную частицу в 1932 году, то назвал её нейтроном. В результате этого в физике элементарных частиц, этим термином называли две разные частицы. Энрико Ферми, разработавший теорию бета-распада, ввел термин «нейтрино» в 1934 году, чтобы разрешить путаницу. Слово нейтрино, с итальянского переводится как «нейтрончик».

На Сольвеевском конгрессе 1933 года в Брюсселе Паули выступил с рефератом о механизме β-распада с участием лёгкой нейтральной частицы со спином ½. Это выступление было фактически первой официальной публикацией, посвящённой нейтрино.

Нейтрино было экспериментально обнаружено в 1956 году командой под руководством Клайда Коуэна и Фредерика Райнеса.

4. Ad-hoc гипотезы

Гипотезы "к этому месту, к этому случаю" (дословно). Гипотезы-костыли. Это гипотезы, которые выдвигаются для объяснения несоответствия между ожидаемым результатом и полученным. Они выдвигаются, чтобы согласовать теорию с результатами эксперимента, когда между ними возникают разногласия. Но к этим гипотезам относятся отрицательно в рамках научного познания. Как правило, к гипотезам ad-hoc относят только те гипотезы, которые подтверждаются только тем случаем, ради объяснения которого они были выдвинуты, а другими случаями они не подтверждаются. Также, гипотезы ad-hoc локально непроверяемы с точки зрения самой научной теории.

Классический пример гипотезы ad hoc: Гипотеза Лоренца Фитцжеральда

Гипотеза Лоренца Фитцжеральда, выдвинутая в 1890 г. чтобы объясняить отрицательный результат эксперимента Майкельсона-Морли.

Эксперимент Майкельсона-Морли ** (источник**)

Во второй половине 19 века были распространены теории существования некоего эфира, как универсальной системы отсчёта. В то время существовала теория Лоренца о стационарном эфире: мировой эфир не увлекается движением тел. Также существовала теория Герца: эфир частично увлекается движением тел.

В 1887 году два американских физика — Альберт Майкельсон и Генри Морли — решили совместно провести эксперимент, призванный раз и навсегда доказать скептикам, что светоносный эфир реально существует, наполняет Вселенную и служит средой, в которой распространяются свет и прочие электромагнитные волны. Майкельсон обладал непререкаемым авторитетом как конструктор оптических приборов, а Морли славился как неутомимый и непогрешимый физик-экспериментатор. Придуманный ими опыт проще описать, чем провести практически.

Майкельсон и Морли использовали интерферометр — оптический измерительный прибор, в котором луч света расщепляется надвое полупрозрачным зеркалом (стеклянная пластина посеребрена с одной стороны ровно настолько, чтобы частично пропускать поступающие на нее световые лучи, а частично отражать их; аналогичная технология сегодня используется в зеркальных фотоаппаратах). В итоге луч расщепляется и два получившихся когерентных луча расходятся под прямым углом друг к другу, после чего отражаются от двух равноудаленных от полупрозрачного зеркала зеркал-отражателей и возвращаются на полупрозрачное зеркало, результирующий пучок света от которого позволяет наблюдать интерференционную картину и выявлять малейшую десинхронизацию двух лучей (запаздывании одного луча относительно другого;

Опыт Майкельсона—Морли был принципиально направлен на то, чтобы подтвердить (или опровергнуть) существование мирового эфира посредством выявления «эфирного ветра» (или факта его отсутствия). Действительно, двигаясь по орбите вокруг Солнца, Земля совершает движение относительно гипотетического эфира полгода в одном направлении, а следующие полгода в другом. Следовательно, полгода «эфирный ветер» должен обдувать Землю и, как следствие, смещать показания интерферометра в одну сторону, полгода — в другую. Итак, наблюдая в течение года за своей установкой, Майкельсон и Морли не обнаружили никаких смещений в интерференционной картине: полный эфирный штиль! (Современные эксперименты подобного рода, проведенные с максимально возможной точностью, включая эксперименты с лазерными интерферометрами, дали аналогичные результаты.) Итак: эфирного ветра, а, стало быть, и эфира не существует.

Ad-hoc гипотеза Лоренца-Фитцжеральда

Фитцжеральд предположил, что поскольку интерферометр движется вместе с Землёй, то во время движения плечо интерферометра сокращается как раз так, что интерференция не изменяется. Но, таким образом, вывод о наличие эфира мы никогда установить не сможем. И эта гипотеза принципиально независимо непроверяема. На момент выдвижения, эта гипотеза не могла получить какую-либо проверку. Гипотеза ad-hoc не может быть принята, поскольку требуется независимое подтверждение, которое так и не было найдено.

Гипотезы ad-hoc в квантовой физике

В квантовой физике при вынесении интерпретаций волновой функций были тоже выдвинуты множество ad hoc гипотез.

5. Мысленные эксперименты

Cпециальный тип теоретических мысленных рассуждений, оперирующий идеализированными объектами и событиями, возможными с точки зрения научных теорий. Мысленные эксперименты проводятся для установления непротиворечивости или противоречивости различных теорий.

Примеров мысленного эксперимента для обнаружения противоречивости гораздо больше, чем для непротиворечивости. И здесь множество мысленных экспериментов пришли из споров Эйнштейна с Бором в квантовой физике.

Пример мысленного эксперимента на непротиворечивость:

Цикл Карно. Это же некий мысленный эксперимент: работа с идеальной тепловой машиной. И формула для КПД выводится именно из этого мысленного эксперимента.

Микроскоп Гейзенберга. Когда Гейзенберг своё соотношение неопределённости объяснял с помощью разработанного мысленного эксперимента: микроскопа Гейзенберга. Допустим, мы хотим обнаружить какую-то микрочастицу. Каким для этого должен быть микроскоп? Этот мысленный эксперимент мы, возможно, разберём подробнее в следующих лекциях.

Пример мысленного эксперимента на противоречивость:

Знаменитые споры Альберта Эйнштейна с Нильсом Бором в области квантовой физики. На Сальвейском конгрессе Эйнштейн приходил к Бору утром на чашку кофе и предлагал ему мысленный эксперимент, опровергающий квантовую теорию Бора-Гейзенберга. Вечером Бор приносил Эйнштейну ответ на этот мысленный эксперимент. Когда мы будем говорить о квантовой механике, мы, возможно, более подробно разберём эти мысленные эксперименты.

Научная теория

Научная теория — логически взаимосвязанная система понятий и утверждений о свойствах, отношениях и законах некоего множества идеализированных объектов, служащая для описания и объяснения определённого класса явлений.

Струкутра научной теории

Без этих четырёх элементов теория не может называться научной:

1. Идеализированные (теоретические) объекты и понятия.

2. Математический аппарат для формулировки отношений между объектами и их характеристиками.

3. Связи и определения. Эволюция системы.

4. Правило интерпретации.

Разберём каждый элемент отдельно.

1. Идеализированные (теоретические) объекты и понятия

Объекты называются теоретическими, потому что теория имеет дело не с реальными объектами, а с теоретическими, являющимися какого-то рода идеализацией.

Примеры теоретических объектов и понятий

Классическая механика:

• понятие материального объекта;

• понятие пространства;

• понятие времени

• понятия, характеризующие объекты: масса, сила, работа, энергия и т. д.

2. Математический аппарат для формулировки отношений между объектами и их характеристиками

Любая научная теория предполагает наличие математического аппарата. А зачем нужен математический аппарат, почему нельзя без него обойтись? Есть же у нас понятия массы, энергии…Что даёт математический аппарат?

Математика — наука точная. Преимущество языка математики в том, что он позволяет строго показать логическую связь между одним положением и другим. Вот эти правила следования одного положения из другого и позволяют естественнонаучной теории из своих положений выводить математические следствия, являющиеся достаточно точными предсказаниями, и соответственно, которые можно проверить с помощью эксперимента. Это и требуется математической теории.

С другой стороны, математический формализм, которым пользуется та или иная математическая теория, может быть разным. Так, механика может быть Ньютоновской, Лагранжевой, Гамильтоновой и т. д. В квантовой механике при описании волновой функции можно пользоваться представлением Гейзенберга, Шрёдингера, взаимодействия.

3. Связи, определения и эволюция системы

3.1 Связи и определения

На основе связей и определений описывается состояние физической системы.

Этот элемент научной теории нужен для того, чтобы можно было на языке научной теории сформировать состояние физической системы. И вот здесь есть разница между статистическими и динамическими теориями.

• Динамические физические теории однозначно определяют состояние системы и его эволюцию.

• Статистическая физическая теория определяет состояние системы вероятностно.

**Пример: **В формуле $F=ma$ мы показываем, как понятие силы связано с понятиями массы и ускорения.

3.2 Эволюция системы

Этот элемент научной теории показывает, как происходит эволюция состояния системы, переход от одного состояния к другому.

Пример: уравнение движения в классической механике.

4. Правила интерпретации

Правила интерпретации используются для установки соответствия между теоретическими объектами научной теории (а также следствиями этой научной теории) — и эмпирическими данными. Связываем теоретические понятия с тем, что мы по факту наблюдаем.

Пример Дюгема с термометром

Представьте, вы занимаетесь простыми вещами: измеряете температуру с помощью термометра. И вот вы приглашаете человека, условно говоря, с улицы, и просите провести наблюдения на вашей лабораторной установке. Что человек увидит, скажет, запишет?

Он может сказать, что уровень ртути в термометре поднялся с одного уровня — на другой. Он скажет, что какой-то странный прибор что-то показал. Он что, знает, что такое температура? Столетия уходили на то, чтобы разобраться в том, что такое температура. А как это объяснить? Обычно просто подходят к термометру и показывают: вот! Вот какая температура, потому что столбик жидкости показал так. Мы не можем работать с самой температурой непосредственно, мы не можем её измерить напрямую. Только делать выводы, наблюдая за каким-либо поведением материи в лабораторной установке.

Аналогично приводятся примеры с амперметром, вольтметром, барометром и другими измерительными устройствами.

Итак, мы не можем напрямую получить какие-либо сведения об объекте. Мы должны установить некое соответствие между эмпирически наблюдаемыми данными и теоретическими объектами. Для этого и используются правила интерпретации.

Три функции научной теории

Перечислим вкратце:

1. Интегрирующая функция: связывает различные классы явлений друг с другом.

2. Прогностическая фунция: предсказывает новые состояния и тенденции в развитии систеем.

3. Объяснительная функция: два варианта (см. ниже).

Теперь рассмотрим каждую функцию более подробно.

1. Интегрирующая функция

Научные теории объединяют в своём описании различные классы явлений, ранее в научном знании не связанные друг с другом.

Примеры интегрирующей функции научной теории.

• Физика Ньютона объединяет движение небесных тел (планет) и движение земных тел.

• Классическая электродинамика Фарадея-Максвелла объединяет магнитные и электрические явления. В тех же уравнениях Максвелла в символьной форме выражено, как электрические и магнитные поля взаимосвязаны и влияют друг на друга.

2. Прогностическая функция

Прогностическая функция теории проявляется в ее способности предсказывать новые состояния и тенденции исследуемых систем и тем самым прогнозировать будущее развитие событий. Отметим, что для некоторых наук такая функция теории является доминирующей. Примером может служить метеорология.

3. Объяснительная функция

Ранее мы познакомились с двумя уровнями научного познания: на эмпирическом уровне явления описываются, а на теоретическом уровне — объясняются. Но что такое объяснение? В данном вопросе философы науки разделяются на два направления.

1. Научная теория не должна искать причины явлений ("почему это работает"), потому что они недоступны для человека. Научная теория — лишь инструмент для описания явлений ("как это работает"). Последователями этого подхода к понятию объяснения были Пьер Дюгем и неопозитивисты 20-го столетия. С такой точки зрения под объяснением понимается подведение какого-либо явления под какой-либо закон.
2. Научная теория раскрывает причины явлений ("почему это работает"). Этот подход предполагает, что познание причин явлений доступно для человека. И задача теории с точки зрения второго подхода: проникнуть за "экран" явлений и выявить те причины, которые их вызывают.

Примеры

Классическая механика пользуется понятием массы. В электродинамике ХХ века используется понятие электрона. Что это такое? С позиций неопозитивизма: масса или электрон — это фикции, им ничего не соответствует в реальности. Эти понятия используются как инструмент описания явлений, они лишь связывают одни явления с другими. То есть это просто инструмент описания явлений. Как сказал неопозитивист Рудольф Карнап: это интерфеномены, то есть то, что мы вставляем между феноменами, чтобы их связать. Электрон — это фикция, придуманная чтобы связать одни явления с другими, просто удобный мыслительный инструмент. Он ничему в реальности не соответствует. Он есть только в теории.

Представители другой точки зрения полагают, что теоретические объекты, которыми пользуется теория, имеют референты (соответствия) в объективной реальности. Понятию электрон соответствует реальный объект "электрон", который объективно существует вне теории.

Из-за этого в ХХ веке возникла дискуссия о статусе теории в роли науки, которая продолжается и по сей день. Есть сторонники обоих мнений. Но в связи с таким вот обсуждением объяснительной функции научной теории, сами научные теории принято делить на два типа, как это предлагал Вернер Гейзенберг.

Виды научных теорий

Вернер Гейзенберг предложил разделить сами научные теории на два типа:

1. Феноменологические научные теории: не объясняют причины описываемых явлений.

2. Объясняющие научные теории: объясняют причины описываемых явлений.

Примеры из физики

Феноменологические научные теории: классическая термодинамика XIX века с её 1, 2, 3 началами.

Объясняющие научные теории: статистическая физика, рассматривающая явления на уровне микропроцессов и объясняющая, почему уже на макроуровне справедливы начала классической термодинамики.

Теории физики делят на динамические и статистические.

Вспоминаем предыдущую лекцию:

Динамические однозначно определяют состояние физической системы и по начальному состоянию однозначно определяют некое последующее состояние. Статистические теории представляют состояние системы вероятностным образом, что система с некоторой вероятностью находится в заданном интервале значений.

Когда начала развиваться статистическая физика, основной вклад осуществили такие учёные, как Клаузиус, Максвелл. Статистические методы рассматривали просто как метод познания, метод расчёта средних величин. Однако уже их современник Больцман первым начал осознавать, что статистические законы представляют собой новый вид причинных связей, отвечающий единичным объектам. Он уже начинает рассматирвать статистические закономерности не просто как вынужденный метод, но как универсальный новый метод, способный работать с принципиально несводимыми характеристиками системы. И квантовая физика впоследствие это направление развило.

Методы построения научной теории

1. Гипотетико-дедуктивный метод. Свойственен теории уровней познания. Мы ставим гипотезу, дедуктивно выводим из неё следствия и эти следствия экспериментально проверяем.

2. Аксиоматический метод. В отличии от того, как он используется в математике и логике, в физике он имеет ряд недостатков, он — недостаточен. Он не способен построить полноценную физическую теорию в естествознании.

Критерий Илларионова

Есть простой критерий для различения феноменологических и объясняющих теорий. Наш философ-соотечественник Илларионов Сергей Владимирович считает, что таким критерием может быть количество подгоночных параметров, устанавливающих соответствия теории и данных из опыта. Если их много — теория скорее всего феноменологическая. Если мало — объясняющая.

(с) Дмитрий Пучков