Loe raamatut: «Глобальная научно-техническая революция», lehekülg 3

§ 3. Единство эмпирических и теоретических методов в научном познании

В XIX в. по мере усиления связи науки, технологий и промышленности возрастает практическое значение эмпирических методов исследования: наблюдение, натуральный эксперимент, измерение, тестирование, опрос, беседа, анкетирование, чтение текстов, сбор информации. Часто путают эмпирические методы исследования и методы описания.

Научное наблюдение отличается от обыденного восприятия и наблюдения. Метод наблюдения применяется для добывания эмпирической информации об объекте наблюдения и для проверки имеющихся опытных данных или гипотез. Наблюдения проводятся либо в естественных условиях, либо в условиях, которые субъект наблюдения не создавал. В процессе наблюдения ученые получают информацию с помощью органов чувств и, особенно, глаз.

Почему наблюдение необходимо для развития наук? Основное значение для научного понимания ценности наблюдения предоставляет анатомия и физиология анализаторов человека, которая интенсивно развивается два последних столетия. Модель строения анализаторов предложил русский ученый И. М. Сеченов. Высшая нервная деятельность человека интегрирует работу анализаторов. Все анализаторы имеют единое строение: орган чувств (глаз, ухо и др.), передающие нервные волокна и соответствующий участок коры головного мозга. При воздействии внешних раздражителей на рецепторы органов чувств, рецепторы преобразуют сигнал в нервный импульс, который с конечной скоростью движется к соответствующему участку коры головного мозга человека. Наибольшая скорость передачи сигнала по зрительному нерву достигает 150 м/сек. Восприятие порождает кора головного мозга. Общие свойства восприятия: модальность, предметность, целостность, константность, индивидуальность, избирательность, осмысленность, пространственные и временные признаки. Наблюдение основано на строении и функционировании анализаторов. Нейрофизиология научилась расшифровывать информацию, содержащуюся в ощущениях и восприятиях человека, с помощью специальных кодов.

Методология научного наблюдения требует пройти четыре этапа:

1. Подготовительный. На первом этапе ставятся цель и задачи, выбираются объект и условия, отбираются средства наблюдения, выбираются технологии наблюдения, формируется команда и распределяются задачи, составляется подробный план наблюдения, проверяются средства наблюдения.

2. Исполнительный. На втором этапе реализуется план в процессе активной деятельности участников процесса наблюдения. Все участники процесса наблюдения реализуют профессиональные знания и умения. Второй этап есть процесс наблюдения.

3. Регистрационный. На третьем этапе фиксируются результаты наблюдения. Общие требования к записи результатов наблюдений: запись производится на стандартном научном языке; запись фиксирует объективные данные; записи систематизируются с помощью графиков, диаграмм, таблиц, рисунков; запись описывает ситуацию, в которой получены данные; запись содержит хронометрический отчет о процессе наблюдения. На регистрационном этапе применяются теоретические средства и технологии (графики, таблицы и проч.) для обобщения и систематизации полученной информации.

4. Интерпретационный. На четвертом этапе производится анализ информации и ее теоретическое осмысление. Полученные системы описания необходимо предоставить научным коллективам и сообществам, используя стандартные технологии – публикации статей в научных журналах и сборниках, материалах конференций и конгрессов, издание индивидуальных и коллективных монографий.

Результаты наблюдения зависят от умения ученого управлять своими познавательными способностями: концентрация внимания, оперативное реагирование, прочное запоминание, ясность и точность восприятия. Наблюдатель использует свойство избирательности зрительного восприятия (и при необходимости других видов восприятия) – способность выделять объекты и их качества. Особенности избирательности восприятия зависят от условий наблюдения и личности ученого. Полностью устранить влияние субъективных факторов на восприятия невозможно, т. к. восприятие есть всегда восприятие какого-то конкретного индивида. Восприятие невозможно отделить от индивида или получить «чистое» восприятие, независящее от субъекта. Конечная задача наблюдения – применить полученные результаты для построения системы описания предмета наблюдения [27].

Видов научного наблюдения много: непосредственные и опосредованные, непрерывные и дискретные, прямые и косвенные, нормальные и экстремальные, сплошные и выборочные. Ученые в процессе наблюдения применяют микроскопы, телескопы, фотоаппараты, кинокамеры. В методологии науки идет спор о прямых и косвенных наблюдениях [122]. Что такое «косвенные наблюдения»? Цель любого наблюдения – зафиксировать предмет наблюдения в ясных и точных восприятиях. Поэтому «косвенные» наблюдения не могут заменить прямые наблюдения. Науке нужны прямые наблюдения изучаемого объекта. Применение множества видов наблюдения обусловлено особенностями объектов познания. Например, микроорганизмы человек не может видеть невооруженным глазом, нужны микроскопы, которые проверяются и заменяются. Применение микроскопов в процессе изучения микроорганизмов есть стандартное прямое опосредованное наблюдение. Поставленные познавательные задачи могут потребовать использования разных видов наблюдения в изменяющихся условиях. При сплошных наблюдениях психологи стараются описать поведение, а при выборочных наблюдениях фиксируются отдельные поступки. Разделение наблюдений на непрерывные и дискретные требуют умения проводить хронометраж. Необходимо выделить признак наблюдаемого объекта, определить начальные и конечные состояния. При использовании часов возможны ошибки.

Результаты процесса наблюдения зависят от наблюдательности ученых. Наблюдательность – это умение личности быстро и точно фиксировать признаки воспринимаемых предметов и явлений, способность обнаружить мало заметные детали, подмечать незначительные различия и изменения. Наблюдательность развивают с помощью тренировок и практической деятельности. Многие великие писатели развивали наблюдательность и путешествовали. Тренировки наблюдательности совершенствуют понятийный и перцептивный аппарат, т. к. акт восприятия содержит неустранимую связь с мышлением и опытом личности. Тренировки включают в себя и освоение мнемонических правил, позволяющих человеку быстро запоминать новую информацию и большой объем информации. Например, чтобы быстро запомнить внешность человека необходимо знать виды глаз, бровей, носа, губ, волос, причесок, лица, рук, походок, мимики, телосложения, кожи и т. д. Наблюдательность характеризует уровень профессиональной подготовки.

В методологии науки ведется спор о принципе наблюдаемости. Например, в биологии все виды выделяются на основе наблюдений. Если не зафиксированы особи опытными средствами, то существование биовида не доказано. В астрономии также признается существование только наблюдаемых объектов: планеты, спутники, астероиды, кометы, метеориты. Предположение древнегреческого философа и астронома Филолая о существовании противоземли опровергнуто прямыми наблюдениями.

Научность теории неправильно понимать прямолинейно как абсолютное взаимно однозначное соответствие теории и познаваемой реальности. Ученые способны построить такой теоретический конструкт, который не будет иметь эмпирических референтов. В физике и химии предложили понятие флогистон, чтобы объяснить горение. Сторонники теории флогистона верили в существование таинственного флюида, который горит и передается от горящего тела к негорящему. Развитие химии опровергло теорию флогистона [59, с. 141] и установила, что горение есть совокупность одновременно протекающих процессов (плавление, испарение, ионизация и др.) и реакций окисления горючего материала. При горении происходит световое и тепловое излучение, выделение дыма и газов. Астрономия – эмпирическая наука. Картины миры, изображающие познаваемый космос, разнообразны и часто противоречат друг другу. Поэтому нужны эмпирические методы исследования и описания. Решения проблем существования электронов, протонов, нейтронов, планет, спутников, атомов, молекул принимались на основе опыта научного наблюдения. Физика разрабатывает специальные средства и методы для наблюдения. Например, камера Вильсона. Химия, биология, геология исключают признание существования ненаблюдаемых объектов и служат надежной защитой науки от мистификаций и математического теоретизирования. В геологии никто слушать не будет, если кто-то топнет ногой и скажет: «Я считаю, что здесь вулкан». Вера ученого не основывается только на теории и ее способности объяснять наблюдаемые явления. Соблюдение требований принципа наблюдаемости необходимо для сохранения формата научности.

В методологии науки выявлена фундаментальная закономерность – глобальное и релевантное применение экспериментальных методов в научном познании. Термин «эксперимент» используют в языке науки в значении «попытка», «затея», «активная мысленная деятельность с целью проверки», «компьютерные интеллектуальные игры», «рискованное дело», «авантюра» и т. п. Если не будут сделаны уточняющие замечания в тексте настоящей монографии, то экспериментальный метод понимается как предметно-материальная исследовательская деятельность с фрагментами материального бытия, т. е. натуральные эксперименты. На самых ранних стадиях науки проводились эксперименты. Античная наука обогатила познание разнообразными экспериментами: акустические исследования Пифагора, биологические эксперименты Аристотеля, физические эксперименты Демокрита и Архимеда, психологические эксперименты стоиков. Выдающихся ученых отличает способность придумывать и осуществлять оригинальные эксперименты.

Например, оптические эксперименты И. Ньютона. Технические науки основываются на многофакторных экспериментальных методах. История техники – это история экспериментов с техническими устройствами.

Эксперимент отличается от наблюдения активным воздействием участников эксперимента на объект изучения. Субъект эксперимента создает и управляет локальными условиями эксперимента. Научный эксперимент воспроизводится и проверяется. Методология научного эксперимента имеет общие черты с методологией наблюдения: требуется пройти четыре этапа: подготовительный, исполнительный, регистрационный, интерпретационный. Исполнительный этап и есть эксперимент. Для успешного проведения эксперимента не только составляют план действий, но готовят объект и условия эксперимента. В науке используется множество видов экспериментов. Один из самых простых способов выделения видов экспериментов исходит из классификации наук: физические, химические, биологические, медицинские, экологические, социологические, экономические, психологические, педагогические и т. п.

В современной науке широко применяются компьютерные эксперименты. Натуральные эксперименты проводятся непосредственно с изучаемыми наукой объектами (атомами, молекулами, растениями, животными, вирусами, бактериями и проч.). Компьютерные эксперименты опосредованные. В компьютерных экспериментах изучаются математизированные модели познаваемых объектов, приспособленные к условиям информационных систем. Цель компьютерного эксперимента – получение информации о модели и об особенностях ее поведения. При планировании компьютерного эксперимента оптимизируют использование технических ресурсов (затраты машинного времени, свойства программ и т. п.), определяется строгий алгоритм действий и программный способ обработки результатов. Количество компьютерных экспериментов для изучения объекта неограниченное. Компьютерные эксперименты не способны полностью заменить натуральные, поставляющие информацию об изучаемых объектах, а не об их логограммах или моделях. Ведь изучаемые материальные объекты могут реагировать на воздействия и условия иначе, чем модели.

В зависимости от специфики субъекта эксперименты подразделяются на академические, промышленные, сельскохозяйственные, ведомственные, университетские. Изменение субъекта отражается на всех стадиях проведения эксперимента. Познавательные функции натурального эксперимента: эвристическая, проверочная, обобщающая, информационная, селективная, направляющая, исследовательская.

Одна из наиболее обсуждаемых методологических проблем – проблема соотношения теории и эксперимента. Эксперимент отражает уровень развития науки и техники (понятийный аппарат, методы исследования, технические средства, базы данных) и степень изученности объекта. Эксперимент продолжает научные исследования и поэтому ему отводится ведущая роль в развитии познания. Теории используются при планировании и организации эксперимента. Для постановки и обоснования цели и задач эксперимента нужны проверенные теории, которые будут определять достижимые конкретные цели и задачи. Чем более высокий уровень развития теории, тем плодотворнее соответствующие эксперименты. Для развития и проверки теории необходимы натуральные эксперименты. Компьютерные эксперименты и теоретические выкладки не могут заменить эмпирической информации, полученной в ходе натуральных экспериментов. Например, полеты самолетов и вертолетов очень сильно зависят от видимости. Если густой туман, то экипажу рекомендуется срочно поменять маршруты и места посадки на основе накопленного опыта полетов. Компьютерные эксперименты не могут определять действия экипажа воздушного судна.

Практические потребности направляют усилия ученых на изучение туманов. В отличие от облаков туманы состоят из капелек воды, образующихся в нижних слоях атмосферы. Туманы появляются при взаимодействии, перемешивании теплой и холодной масс воздуха. Водяной пар, содержащийся в атмосфере, конденсируется в капельки воды или кристаллики льда. Метеорологи выделяют множество видов туманов: наземные, сплошные, просвечивающие, ледяные, радиационные, адвективные, фронтальные.

Все науки стремятся применять эксперименты, комбинировать разные виды экспериментов, выстраивать цепочки экспериментов. Осуществили новые виды экспериментов с использованием батискафов, луноходов, марсоходов. Развитие науки неизбежно поведет к усилению применения роботов в познании.

Эксперименты часто задают новый формат исследований. Яркий пример из истории науки открытие микроорганизмов с помощью микроскопов. Этот комплекс экспериментов определил характер развития микробиологии, эпидемиологии, медицины, ветеринарии, здравоохранения, фармакологии. Антони ван Левенгук родился в голландском городе Делфте в семье ремесленника. А. Левенгук работал кассиром, бухгалтером, суконщиком, продавцом. Микроскопы пользовались спросом в Европе и Левенгук научился изготовлять увеличительные стекла. В то время линзы увеличивали изображение в двадцать раз. Лупы Левенгука увеличивали в 250–300 раз. Увеличительные стекла Левенгука были величиной с крупную горошину. За пятьдесят лет работы он открыл более двухсот видов микроорганизмов и микрочастиц. Позднее он служил стражем судебной палаты в родном городе, что по современным понятиям соответствует должностям дворника, истопника и сторожа одновременно, и будучи действительным членом Лондонского королевского общества, продолжал добросовестно выполнять свои обязанности дворника. Он следил за чистотой главной площади возле городской ратуши. Левенгук открыл движение крови в капиллярах и увидел движение множества мельчайших частиц в крови. Он опроверг представление о крови как однородной жидкости. В 1673 г. Левенгук впервые увидел микробов. Они имели вид палочек, спиралей, шариков. Лондонское Королевское общество попросило Левенгука выслать подробные описания микроскопов и результатов экспериментов. В 1680 г. Левенгук получил красивый диплом действительного члена Лондонского Королевского общества. Вскоре его приняли в Парижскую академию наук. В мае 1698 г. Петр I отбыл из Гааги на яхте в увлекательное путешествие по рекам и каналам Голландии. В г. Делфте русский царь велел пристать к берегу и послал своего секретаря к Левенгуку, чтобы тот пригласил великого ученого к нему на яхту. Состоялась знаменитая встреча царя Петра I и А. ван Левенгука на яхте. Петру I удалось приобрести два микроскопа, хотя Левенгук не торговал своими увеличительными стеклами [80].

История науки продемонстрировала огромный эвристический потенциал экспериментов [10; 11]. В физике – эксперименты М. Фарадея, в биологии – опыты И. П. Павлова и т. д. Большое значение приобрели экспериментальные методы для развития психологии, педагогики, социологии, экономических наук. Психология медленно и неуклонно превращается в экспериментальную науку. Даже детская психология широко применяет экспериментальные методы. Например, эксперименты С. Аша демонстрируют власть конформизма в группах, зависимость индивидуального восприятия от мнения группы. Эксперименты Аша проводились в США, СССР и других странах. Результаты экспериментов Аша полезно учитывать во всех сферах человеческой деятельности. В физиологических экспериментах по изучению зрительных иллюзий установлена зависимость зрительного восприятия от условий восприятия. Например, зрительная иллюзия Мюллера-Лайера. Современные государства до начала полномасштабной экономической реформы проводят эксперименты в регионах. Научные эксперименты приобрели огромное практическое значение.

Совершенствование экспериментального метода требовало использования измерений. Ученых интересовал вопрос о скорости света. Конечная или бесконечная скорость света? Знание скорости света имеет мировоззренческое значение. Античные философы и астрономы рассуждали о скорости света. Г. Галилей впервые попытался измерить скорость света. Он и его помощник взобрались с зажженными фонарями с заслонками на соседние холмы. Открывая и закрывая заслонки, они измеряли моменты времени визуальной фиксации света от фонаря. Результат опыта Галилея был отрицательным. Первое точное измерение скорости света удалось произвести астрономическим методом. Итальянский астроном Д. Кассини в 1671 г. был назначен Директором Парижской обсерватории. Телескоп обсерватории давал 150-кратное увеличение. В 1672 г.

Д. Кассини измерил расстояние от Земли до Солнца. И установил, что расстояние равно 146 млн. км. Современное значение – 149,6 млн. км. Д. Кассини, наблюдая за движением спутника Юпитера Ио, обнаружил расхождение между данными наблюдений вблизи от Земли и вдали от Земли в 22 минуты. Д. Кассини поручил О. Ремеру, приехавшему из Дании, проверить астрономические данные. Ремер предположил, что скорость света конечная. В 1676 г. он проверил данные Кассини и, зная расстояние от Земли до Солнца, разделил длину диаметра земной орбиты на 22 минуты. Ремер получил значение скорости света 220 тыс. км в сек. Д. Кассини категорически отказался признать выводы О. Ремера, хотя первоначально Д. Кассини допускал конечность скорости света [182].

Скорость света измеряли лабораторными и астрономическими методами. Современное значение скорости света в вакууме равна 299792458±1,2 м/сек или около 300000 км/сек. Эксперименты со светом установили независимость скорости света от скорости и направления движения источника. Два экспериментальных факта – конечность скорости света и независимость скорости света от источника были положены в основу специальной теории относительности А. Эйнштейна, изменившей наши представления о свойствах материи, пространства, времени и движения. Измерение скорости света продемонстрировало методологическое и мировоззренческое значение процедуры измерения. Релятивистские эффекты, предсказанные специальной теорией относительности (увеличение массы, замедление времени, сокращение длины, относительность одновременности) получили разнообразные экспериментальные подтверждения. Измерение прочно входит в практику научных исследований и в XX в. зарождается метрология – новая наука об измерениях. В метрологии определяются основные понятия, описывающие процедуру измерения. Для проведения измерения выбирают эталон, который принимается за единицу измерения. Например, один килограмм, один метр. Эталон нужен для хранения и воспроизведения средства измерения, использующего единицу измерения. Процедура измерения есть сравнение измеряемой величины со средством измерения, воспроизводящим или хранящим единицу измерения какой-либо величины. Цель измерения – получение количественной информации о познаваемом объекте. Погрешность измерения – отклонение результата акта измерения от точного значения измеряемой величины. Погрешность средства измерения – разность между показанием средства измерения и точным значением измеряемой величины. Точность средства измерений характеризует степень близости его погрешности к нулю. Абсолютная погрешность измерения выражается в единицах измеряемой величины. Если величина а₀ обозначает точное значение величины и Δa обозначает погрешность измерения, то результат акта измерения величины записывают в виде a = a₀ ± Δa. Точное значение величины определяется при установлении предельных значений измерений высоко точными средствами и всегда основывается на математических расчетах и обобщениях. Абсолютная погрешность измерения – это модуль разности между измеренным и точным значением измеряемой величины:Δa = |a−a₀|. Отношение абсолютной погрешности измерения к точному значению, выраженное в процентах, называют относительной погрешностью измерения:δ = Δa/a₀ × 100 %.

В метрологии выделяются виды измерений: прямые и косвенные, статические и динамические, однократные и многократные. При прямых измерениях получают количественную информацию об измеряемой величине в процессе сравнения с установленным в метрологии эталоном и его законными копиями. Косвенное измерение опирается на прямые измерения. Результат косвенного измерения есть численное значение величины, полученное оператором из формулы, в которой использованы результаты прямых измерений. Иначе говоря, результат косвенного измерения есть функция прямых измерений. Косвенные измерения имеют статус измерения потому, что в прямых измерениях так называемое точное или действительное значение измеримой величины есть математическое обобщение, результат индуктивных выводов. Объект статических измерений относительно стабилен, состояние объекта динамических измерений меняется.

Значительные трудности возникают при выборе единиц измерения. В Европе длительное время не было общей меры длины. В Древней Греции установили стадии. Не принимались законы о мерах длины. В больших европейских городах использовались свои единицы измерения. Все единицы измерения длины были неточными. В Англии использовали антропоцентрические меры: дюйм приравнивали ширине большого пальца человека, фут равнялся средней длине ступни человека, а ярд равен длине пояса мужчины. Развитие науки, техники, торговли и промышленности, расширение экономических и научно-технических связей между городами и странами обострили потребность европейцев в удобной и точной единой системе мер.

В конце XVIII в. ученые и инженеры активизировали поиски удобных и точных единиц измерения. Эталон килограмма в виде цилиндра диаметром и высотой 39,17 мм, изготовленный в 1889 г. из сплава платины (90 %) и иридия (10 %), хранится в штабквартире Международного бюро мер и весов в г. Севр близ Парижа. В конце XX в. в определение одного килограмма внесли уточнение, использовав значения фундаментальных физических констант – скорости света и постоянной Планка. Официальное решение об определении килограмма через постоянную Планка было принято XXVI Генеральной конференцией по мерам и весам в 2018 г.