Карпенков С. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава II.  ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНОЕ ПОЗНАНИЕ ОКРУЖАЮЩЕГО МИРА

2.1. Естественно-научное познание - процесс постижения истины

Общие сведения

В основе любого, в том числе и естественно-научного, познания действительности лежит сложная творческая работа, включающая сочетающиеся сознательные и подсознательные процессы. О важной роли подсознательных процессов говорили многие выдающиеся ученые. В частности, Альберт Эйнштейн подчеркивал: «Нет ясного логического пути к научной истине, ее надо угадать некоторым интуитивным скачком мышления».
Особенности сознательных и подсознательных процессов творческой работы придают индивидуальный характер решению даже одной и той же естественно-научной проблемы разными учеными. «И хотя представители различных школ считают свой стиль единственно правильным, разные направления дополняют и стимулируют друг друга; истина же не зависит от того, каким способом к ней приближаться,» – так считал физик-теоретик А.Б. Мигдал (1911–1991).
Несмотря на индивидуальность решения научных задач, можно назвать вполне определенные правила научного познания действительности:
– ничего не принимать за истинное, что не представляется ясным и отчетливым;
– трудные вопросы делить на столько частей, сколько нужно для их разрешения; начинать исследование с самых простых и удобных для познания вещей и восходить постепенно к познанию трудных и сложных;
– останавливаться на всех подробностях, на все обращать внимание, чтобы быть уверенным, что ничего не опущено.
Данные правила впервые сформулировал Рене Декарт (1596–1650), выдающийся французский философ, математик, физик и физиолог. Они составляют сущность метода Декарта, который в одинаковой мере применим для получения как естественно-научных, так и гуманитарных знаний.
Многие авторитетные ученые видят важную роль именно естественно-научных знаний, естественных наук в познании действительности. Так, английский физик Дж.К. Максвелл утверждал: «Что касается материальных наук, то они кажутся мне прямой дорогой к любой научной истине... Сумма знаний берет значительную долю своей ценности от идей, полученных путем проведения аналогий с материальными науками...»

Достоверность научных знаний

Среди ученых всегда возникал и возникает вопрос: в какой мере можно доверять научным результатам, т. е. вопрос о достоверности научных результатов и качестве работы ученого. Приходится констатировать, что научная продукция на своем пути к истине переполнена ошибочными результатами. Ошибочными не в том объективном смысле, что некоторые утверждения и представления со временем дополняются, уточняются и уступают место новым и что все естественно-научные экспериментальные результаты сопровождаются вполне определенной абсолютной ошибкой, а в гораздо более простом смысле, когда ошибочные формулы, неверные доказательства, несоответствие фундаментальным законам естествознания и т. п. приводят к неправильным результатам.
Для проверки качества научной продукции проводится ее контроль: экспертиза, рецензирование и оппонирование. Каждый из данных видов контроля направлен на определение достоверности научных результатов. В качестве примера приведем цифры, характеризующие эффективность контроля предлагаемых патентуемых материалов. В результате экспертизы 208975 заявок на изобретения, поданных в Национальный совет изобретений США, выявлено, что всего лишь 8615 (около 4%) из них не противоречило здравому смыслу, а реализовано только 106 (менее 0,05%) заявок. Поистине, как у поэта: «...изводит единого слова ради тысячи тонн словесной руды». До недавнего времени в отечественных академических и центральных отраслевых журналах после рецензирования публиковалась примерно одна из пяти представленных к публикации работ. Добросовестное оппонирование позволяет существенно сократить поток несостоятельных кандидатских и докторских диссертаций.
Вместе с тем следует признать, что процедуры экспертизы, рецензирования и оппонирования далеки от совершенства. Можно привести не один пример, когда великие научные идеи отвергались как противоречащие общепринятым взглядам, – это и квантовая гипотеза Макса Планка, и постулаты Бора и др. Обобщая свой опыт участия в научной дискуссии и оценивая мнения многих оппонентов, Макс Планк писал: «Великая научная идея редко внедряется путем постепенного убеждения и обращения своих противников, редко бывает, что Саул становится Павлом. В действительности дело происходит так, что оппоненты постепенно вымирают, а растущее поколение с самого начала осваивается с новой идеей...» Научной полемики сознательно избегал Чарлз Дарвин. Об этом на склоне своих лет он писал: «Я очень рад, что избегал полемики, этим я обязан Лейелю [своему учителю]... Он убедительно советовал мне никогда не ввязываться в полемику, так как от нее не выходит никакого прока, а только тратится время и портится настроение». Однако дискуссию по существу нельзя полностью исключать как средство постижения истины. Вспомним известное изречение: «в споре рождается истина».
В науке и, в особенности, в естествознании есть внутренние механизмы самоочищения. Результаты исследований в областях мало кому интересных, конечно, редко контролируются. Достоверность их не имеет особого значения: они все равно обречены на забвение. Результаты интересные, полезные, нужные и важные волей-неволей всегда проверяются и многократно. Например, «Начала» Ньютона не были его первой книгой, в которой излагалась сущность законов механики. Первой была книга «Мотус», подвергшаяся жесткой критике Роберта Гука. В результате исправлений с учетом замечаний Гука и появился фундаментальный труд «Начала».
Существующие способы контроля научной продукции малоэффективны, и для науки контроль, в сущности, не нужен. Он нужен обществу, государству, чтобы не тратить деньги на бесполезную работу исследователей. Большое количество ошибок в научной продукции говорит о том, что приближение к научной истине – сложный и трудоемкий процесс, требующий объединения усилий многих ученых в течение длительного времени. Около двадцати веков отделяют законы статики от правильно сформулированных законов динамики. Всего лишь на десятке страниц школьного учебника умещается то, что добывалось в течение двадцати веков. Действительно, истина гораздо дороже жемчуга.

Истина - предмет познания

Часто встречающееся утверждение: главная цель естествознания – установление законов природы, открытие скрытых истин – явно или неявно предполагает, что истина где-то уже существует в готовом виде, ее надо только найти, отыскать как некое сокровище. Великий философ древности Демокрит еще в V в. до н. э. говорил: «Истина скрыта в глубине (лежит на дне морском)». Что же означает открыть естественно-научную истину в современном понимании? Это – во-первых, установить причинно-следственную связь явлений и свойств объектов природы, во-вторых, подтвердить экспериментом, опытом истинность полученных теоретических утверждений и, в-третьих, определить относительность естественно-научной истины.
Одна из задач естествознания – объяснить явления, процессы и свойства объектов природы. Слово «объяснить» в большинстве случаев означает «понять». Что обычно подразумевает человек, говоря, например: «Я понимаю свойство данного объекта?» Как правило это означает: «Я знаю, чем обусловлено данное свойство, в чем его сущность и к чему оно приведет». Так образуется причинно-следственная связь: причина – объект – следствие. Установление и количественное описание такой связи служат основой научной теории, характеризующейся четкой логической структурой и состоящей из набора принципов или аксиом и теорем со всеми возможными выводами. По такой схеме строится любая математическая теория. При этом, конечно, предполагается создание специального научного языка, терминологии, системы научных понятий, имеющих однозначный смысл и связанных между собой строгими законами логики. Так достигается математическая истина.
Истинный естествоиспытатель не должен ограничиваться теоретическими утверждениями или выдвинутыми гипотезами для объяснения наблюдаемых явлений или свойств. Он должен подтвердить их экспериментом, опытом, он должен связать их с «действительным ходом вещей». Только так естествоиспытатель может приблизиться к естественно-научной истине, которая, как теперь понятно, принципиально отличается от математической истины.
После проведения эксперимента, опыта наступает завершающая стадия естественно-научного познания, на которой устанавливаются границы истинности полученных экспериментальных результатов или границы применимости законов, теорий или отдельных научных утверждений. Результат любого эксперимента, как бы он тщательно не проводился, нельзя считать абсолютно точным. Неточность экспериментальных результатов обусловливается двумя факторами: объективным и субъективным. Один из существенных объективных факторов – динамизм окружающего нас мира: вспомним мудрые слова Гераклита – «Все течет, все изменяется; в одну и ту же реку нельзя войти дважды». Другой объективный фактор связан с несовершенством технических средств эксперимента. Эксперимент проводит человек, органы чувств и интеллектуальные способности которого далеки от совершенства: errare humanum est – ошибаться свойственно человеку (известное латинское выражение) – это и есть субъективный фактор неточности естественнонаучных результатов.
Выдающийся естествоиспытатель академик В.И. Вернадский (1863–1945) с уверенностью утверждал: «В основе естествознания лежат только научные эмпирические факты и научные эмпирические обобщения». Напомним: эмпирический подход основан на эксперименте и опыте как определяющих источниках естественно-научного познания. Вместе с тем В.И. Вернадский указывал и на ограниченность эмпирических знаний...
Теоретические утверждения без эксперимента носят гипотетический характер. Только при подтверждении экспериментом из них рождается истинная естественно-научная теория. Научная теория и эксперимент, или, в обобщенном представлении, наука и практика – вот два кита, на которых держится ветвистое древо познания. «Влюбленный в практику без науки словно кормчий, ступающий на корабль без руля или компаса; он никогда не уверен, куда плывет... Наука – полководец, а практика – солдат», – так сказал гениальный Леонардо да Винчи.
Подводя итог, сформируем три основных положения теории естественно-научного познания:
1. в основе естественно-научного познания лежит причинно-следственная связь;
2. истинность естественно-научных знаний подтверждается экспериментом, опытом (критерий истины);
3. любое естественно-научное знание относительно.
Данные положения соответствуют трем стадиям естественно-научного познания. На первой стадии устанавливается причинно-следственная связь в соответствии с принципом причинности. Первое и достаточно полное определение причинности содержится в высказывании Демокрита: «Ни одна вещь не возникает беспричинно, но все возникает на каком-нибудь основании и в силу необходимости». В современном понимании причинность означает связь между отдельными состояниями видов и форм материи в процессе ее движения и развития. Возникновение любых объектов и систем, а также изменение их свойств во времени имеют свои основания в предшествующих состояниях материи в процессе ее движения и развития; эти основания называются причинами, а вызываемые ими изменения – следствиями. Причинно-следственная связь – основа не только естественно-научного познания, но и любой другой деятельности человека.
Вторая стадия познания заключается в проведении эксперимента и опыта. Естественно-научная истина – это объективное содержание результатов эксперимента и опыта. Критерий естественно-научной истины – эксперимент, опыт. Эксперимент и опыт – высшая инстанция для естествоиспытателей: их приговор не подлежит пересмотру.
Любые естественно-научные знания (понятия, идеи, концепции, модели, теории, экспериментальные результаты и т. п.) ограничены и относительны. Определение границ соответствия и относительности естественно-научных знаний – это третья стадия естественно-научного познания. Например, установленная граница соответствия (называется иногда интервалом адекватности) для классической механики означает, что ее законы описывают движение макроскопических тел, скорости которых малы по сравнению со скоростью света в вакууме. Как уже отмечалось, в основе естествознания лежит эксперимент, который в большинстве случаев включает измерения. Подчеркивая важную роль измерений, выдающийся русский ученый Д.И. Менделеев (1834–1907) писал: «Наука началась тогда, когда люди научились мерить; точная наука немыслима без меры». Измерений абсолютно точных не бывает, и в этой связи задача ученого-естествоиспытателя заключается в установлении интервала неточности. При совершенствовании методов измерений и технических средств эксперимента повышается точность измерений и тем самым сужается интервал неточности и экспериментальные результаты приближаются к абсолютной истине. Развитие естествознания – это последовательное приближение к абсолютной естественно-научной истине.

2.2. Формы естественно-научного познания

Единство эмпирического и теоретического познания

Каждый акт познавательного процесса включает в себя в той или иной степени как наглядно-чувственные, эмпирические, так и абстрактные, теоретические элементы. Каждый акт живого созерцания пронизан мыслью, опосредован понятиями, категориями. Воспринимая какой-либо объект, мы сразу же относим его к определенной категории вещей, процессов.
Исторически путь естественно-научного познания окружающего мира начинался с живого созерцания – чувственного восприятия фактов на основе практики. От живого созерцания человек переходит к абстрактному мышлению, а от него – снова к практике, в которой он реализует свои мысли, выверяет их истинность. Современный естествоиспытатель, мышление которого аккумулировало в определенной степени человеческий опыт и выработанные человечеством категории и законы, не приступает к исследованию с живого созерцания. Любое естественно-научное исследование нуждается с самого начала в руководящих идеях. Они служат своего рода направляющей силой, без них естествоиспытатель обрекает себя на блуждание в потемках, не может поставить правильно ни одного эксперимента. Вместе с тем теоретическая мысль, даже безупречная по своей логической строгости, не может сама по себе вскрыть закономерности материального мира. Для своего эффективного движения она должна постоянно получать стимулы, толчки, факты из окружающей действительности через наблюдения, эксперименты, т. е. посредством эмпирического познания.                          
Эмпирическое и теоретическое познание – это единый процесс, характерный для любого естественно-научного исследования на любой его стадии.

Чувственные формы познания

Познание действительности осуществляется в разных формах, из которых первой и простейшей является ощущение. Ощущения – это простейшие чувственные образы, отражения, копии или своего рода снимки отдельных свойств предметов. Например, в апельсине мы ощущаем желтоватый цвет, определенную твердость, специфический запах и т. п. Ощущения возникают под влиянием процессов, исходящих из внешней по отношению к человеку среды и действующих на наши органы чувств. Внешними раздражителями являются звуковые и световые волны, механическое давление, химическое воздействие и т. д.
Любой предмет обладает множеством самых разнообразных свойств. Все свойства объединены в одном предмете. И мы воспринимаем и осмысливаем их не порознь, а как единое целое. Следовательно, объективной основой восприятия как целостного образа является единство и вместе с тем множественность различных сторон и свойств в предметах.
Целостный образ, отражающий непосредственно воздействующие на органы чувств предметы, их свойства и отношения, называется восприятием. Восприятие у человека включает в себя осознание, осмысление предметов, их свойств и отношений, основанное на вовлечении каждый раз вновь получаемого впечатления в систему уже имеющихся знаний.
Жизнь, необходимость ориентировки организма в мире макроскопических целостных вещей и процессов организовала наши органы чувств так, что мы воспринимаем вещи как бы суммарно. Ограниченность, например, зрительного или осязательного восприятия является практически целесообразной. Неспособность руки воспринимать микроструктуру, а глаза – видеть мельчайшие детали дает возможность лучше отражать макроструктуру. Если бы было иначе, то все сливалось бы в сплошное марево движущихся частиц, молекул, и мы не увидели бы вещей и их границ. Можно представить, что было бы, если бы мы на все смотрели через мощный микроскоп.
Процессы ощущения и восприятия оставляют после себя «следы» в мозгу, суть которых состоит в способности воспроизводить образы предметов, которые в данный момент не воздействуют на человека.
Способность мозга запечатлевать, сохранять воздействие или сигналы внешней среды и в нужный момент воспроизводить их называется памятью.
Память играет очень важную познавательную роль в жизни человека. Если бы образы, возникнув в мозгу в момент воздействия на него предмета, исчезали сразу же после прекращения этого воздействия, то человек каждый раз воспринимал бы предметы, как совершенно незнакомые. Он не узнавал бы их, а стало быть, и не осознавал бы. Чтобы осознать что-то, необходима умственная работа сравнения настоящего состояния с предшествующим. Психические явления, сменяющие друг друга и не связанные с предшествующими явлениями, прежде чем закрепиться в памяти, не могут остаться фактом сознания. В результате восприятия внешних воздействий и сохранения их во времени памятью возникают представления.
Представления – это образы тех объектов, которые когда-то воздействовали на органы чувств человека, а потом восстанавливаются по сохранившимся в мозгу следам и при отсутствии этих объектов.
Ощущения и восприятия – начало возникновения сознательного отражения. Память закрепляет и сохраняет полученную информацию. Представление – психическое явление, в котором сознание впервые отрывается от своего непосредственного источника и начинает существовать как субъективное явление. В нем уже теряется непосредственная чувственная данность объекта сознания. Представление – промежуточная ступень при переходе от ощущения к мысли. В народе говорят: «Око видит далеко, а мысль– еще дальше».

Научный факт

Необходимое условие естественно-научного исследования состоит в установлении фактов. Эмпирическое познание поставляет науке факты, фиксируя при этом устойчивые связи, закономерности окружающего нас мира. Констатируя тот или иной факт, мы фиксируем существование определенного объекта. При этом, правда, остается обычно еще неизвестным, что он представляет по существу. Простая констатация факта держит наше познание на уровне бытия.
Вопрос о том, существует или нет какое-либо явление – исключительно важный вопрос научного познания. На вопрос о бытии чего-либо естествоиспытатель обычно отвечает или «да», или «может быть», или «весьма вероятно». Констатация бытия объекта – первая, очень низкая ступень познания. Факты приобретают силу научного основания для построения той или иной теории в том случае, если они не только достоверно устанавливаются, разумно отбираются, но и рассматриваются в их научной связи. Однако постижение действительности невозможно без построения теорий. Даже эмпирическое исследование действительности не может начаться без определенной теоретической направленности. Вот что писал по этому поводу И.П. Павлов: «... во всякий момент требуется известное общее представление о предмете, для того чтобы было на что цеплять факты, для того чтобы было с чем двигаться вперед, для того чтобы было что предполагать для будущих изысканий. Такое предположение является необходимостью в научном деле».
Без теоретического осмысления невозможно целостное восприятие действительности, в рамках которого многообразные факты укладывались бы в некоторую единую систему. Сведение задач науки к сбору фактического материала, по мнению А. Пуанкаре, означало бы полное непонимание истинного характера науки. «Ученый должен организовать факты,– писал он,– наука слагается из фактов, как дом из кирпичей. И одно голое накопление фактов не составляет еще науки, точно так же, как куча камней не составляет дома».
Сущность естественно-научного познания окружающего мира заключается не только в описании и объяснении многообразных фактов и закономерностей, выявленных в процессе эмпирических исследований исходя из установленных законов и принципов, а выражается также и в стремлении естествоиспытателей раскрыть гармонию мироздания.

Наблюдение и эксперимент

Важнейшими методами естественно-научного исследования являются наблюдение и эксперимент.
Наблюдение – преднамеренное, планомерное восприятие, осуществляемое с целью выявить существенные свойства объекта познания. Наблюдение относится к активной форме деятельности, направленной на определенные объекты и предполагающей формулировку целей и задач. Наблюдение требует специальной подготовки – предварительного ознакомления с материалами, относящимися к объекту будущего наблюдения: с рисунками, фотографиями, описанием предметов и т. п. Важное место в подготовке наблюдения должно занимать уяснение задач наблюдения, требований, которым оно должно удовлетворять, предварительная разработка плана и способов наблюдения.
Эксперимент – метод, или прием, исследования, с помощью которого объект или воспроизводится искусственно, или ставится в заранее определенные условия. Метод изменения условий, в которых находится исследуемый объект, – это основной метод эксперимента. Изменение условий позволяет вскрыть причинную зависимость между заданными условиями и характеристиками исследуемого объекта и одновременно обнаружить те новые свойства объекта, которые не проявляются непосредственно в обычных условиях, проследить характер изменения наблюдаемых свойств в связи с изменением условий. С изменением условий изменяются определенные свойства объекта, а другие при этом не претерпевают существенных изменений, от них мы можем отвлечься. Эксперимент, таким образом, не сводится к простому наблюдению – он активно вмешивается в реальность, изменяет условия протекания процесса.

Технические средства эксперимента

Естественно-научное экспериментальное исследование немыслимо без создания разнообразных технических средств, включающих многочисленные приборы, инструменты и экспериментальные установки. Без экспериментальной техники невозможно было бы развитие естествознания. Прогресс естественно-научного познания существенно зависит от развития используемых наукой технических средств.
Благодаря микроскопу, телескопу, рентгеновским аппаратам, радио, телевизору, сейсмографу и т. п. человек значительно расширил свои возможности восприятия.
Первые закономерности в природе были установлены, как известно, в движении небесных тел и были основаны на наблюдениях, осуществляемых невооруженным глазом. Галилей в своих классических опытах с движением тела по наклонной плоскости измерял время по количеству воды, вытекающей через тонкую трубку из большого резервуара,– тогда еще не было часов в нашем представлении. Однако давно прошло время, когда естественно-научные исследования могли осуществляться при помощи подручных средств. Галилей прославился в науке не только своими пионерными исследованиями механических явлений, но и изобретением подзорной трубы. Сегодня астрономия немыслима без разнообразных телескопов, в том числе и радиотелескопов, позволяющих человеку заглянуть в такие дали мироздания, откуда свет доходит до нас в течение сотен миллионов световых лет.
Огромную роль в развитии биологии сыграл микроскоп, открывший человеку многие тайны живого мира. Сегодняшние технические средства дают возможность осуществить эксперименты на молекулярном, атомном и ядерном уровнях. Техника современного эксперимента состоит не только из высокочувствительных приборов, но и из специальных сложных экспериментальных установок. Например, для проникновения в глубь атомного ядра строятся громадные экспериментальные сооружения – синхрофазотроны.
Наукой сегодня активно используются для проведения экспериментов космические корабли, подводные лодки, различного рода научные станции, специальные заповедники. Успехи естествознания тесно связаны с усовершенствованием методов и средств измерения, с усовершенствованием приборов и установок, которые позволяют со все возрастающей гибкостью и утонченностью изменять условия наблюдения и эксперимента. За последние десятилетия создана мощная вычислительная техника, которая не только составляет неотъемлемую часть современного экспериментального оборудования, но и включена теснейшим образом в сам процесс мышления.

Мышление

Мышление – высшая ступень познания. Хотя его источник – ощущения и восприятие, но оно выходит за их границы и позволяет формировать знания о таких объектах, свойствах и явлениях, которые не доступны органам чувств. Мышление освобождает людей от необходимости быть непосредственно связанным и с изучаемым объектом. Оно дает возможность мысленно оперировать объектом, ставя его в различные соотношения с другими объектами, сопоставлять вновь приобретаемое знание об объекте с ранее приобретенными. Тем самым открывается путь для относительно самостоятельной теоретической деятельности, лишь косвенно связанной с эмпирическим познанием.
Мышление – целенаправленное, опосредованное и обобщенное отражение в мозгу человека существенных свойств, причинных отношений и закономерных связей вещей. Основными формами мышления являются понятия, суждения и умозаключения.
Понятие – это мысль, в которой отражаются общие и существенные свойства объектов и явлений. Понятия не только отражают общее, но и группируют, классифицируют объекты в соответствии с их различиями. Понятие «дерево» отражает не только общее, то, что свойственно всем деревьям, но и отличие любого дерева от всего другого.
В отличие от ощущений, восприятий и представлений понятия лишены наглядности или чувственности. Содержание понятия зачастую невозможно представить в виде наглядного образа. Человек может представить, например, доброго человека, но он не сможет представить в виде чувственного образа такие понятия, как добро, зло, красота, закон, скорость света, мысль и т. п. Но все это он может понять.
Понятия возникают и существуют в определенной связи, в виде суждений. Мыслить – значить судить о чем-либо, выявлять определенные связи и отношения между различными сторонами объекта или между объектами.
Суждение – форма мысли, в которой посредством связи понятий утверждается (или отрицается) что-либо о чем-либо. Например, мысль, выраженная предложением «ядро – составная часть атома», есть суждение, в котором о ядре высказывается мысль, что оно входит в состав атома.
По отношению к действительности суждения оцениваются как истинные или ложные. Например, суждение «Ока – приток Енисея» ложно, так как на самом деле Ока не является притоком Енисея, а суждение «Ока – приток Волги» истинно. Истинность и ложность мыслей проверяется практикой.
К тому или иному суждению человек может прийти путем непосредственного наблюдения какого-либо факта или опосредованным путем – с помощью умозаключения.
Умозаключение представляет собой рассуждение, в ходе которого из одного или нескольких суждений, называемых предпосылками или посылками, выводится новое суждение (заключение или следствие), логически непосредственно вытекающее из посылок. Пример: «Если данное тело подвергнуть трению, то оно нагревается; тело подвергли трению, значит, оно нагрелось».
На примере из истории естествознания разъясним, что такое теоретическое мышление человека. Известный французский бактериолог Л. Пастер, изучая сибирскую язву, долгое время не мог ответить на вопросы: каким образом домашние животные заражаются этой болезнью на пастбищах? Откуда на поверхности земли появляются бациллы сибирской язвы? Было известно, что люди зарывали трупы павших животных (из-за опасения заразить других животных) глубоко в землю. Проходя однажды по сжатому полю, Пастер заметил, что один участок земли окрашен светлее, чем остальные. Спутник объяснил ему, что именно на этом участке некогда была зарыта павшая от сибирской язвы овца. Внимание Пастера привлек факт, что на этом участке имелось множество ходов дождевых червей и выделенных ими землистых экскрементов. У Пастера возникла мысль, что дождевые черви, выползая из глубины земли и вынося с собой споры сибирской язвы, являются переносчиками данной болезни. Так Пастер косвенным путем, путем мысленного сопоставления своих впечатлений, проник в то, что было скрыто от восприятия. Дальнейшие опыты подтвердили правильность его умозаключения,
Приведенный эпизод – типичный пример теоретического мышления. Пастер непосредственно не воспринимал причины заражения домашних животных сибирской язвой. Он узнал об этой причине косвенным путем, через посредство других фактов, т. е. опосредованно. Первый существенный признак мышления я заключается в том, что оно есть процесс опосредованного познания объектов. На основании видимого, слышимого и осязаемого люди проникают в невидимое, неслышимое и неосязаемое. Именно на таком опосредованном познании основана вся наука.
Объективной основой опосредованного процесса познания выступает наличие опосредованных связей, причинно-следственных отношений, существующих в самой действительности и дающих возможность на основании восприятия следствия сделать вывод о причине, вызвавшей данное следствие, а на основании знания причины предвидеть следствие. Опосредованный характер мышления заключается, далее, в том, что человек познает действительность не только в результате своего личного опыта, но и косвенным путем, овладевая исторически накопленным опытом и знаниями всего человечества, которые зафиксированы, например, в памятниках письменности.
Одна из важных задач естественно-научного познания – обобщение всего известного об окружающем мире. Эксперимент и наблюдение дают огромное многообразие данных, порой не согласованных между собой и даже противоречивых. Главная задача теоретического мышления – привести полученные данные в стройную систему и создать из них научную картину мира, лишенную логического противоречия.
Исследуя, например, оптические свойства кристаллов винной кислоты, Пастер заметил, что плесневый грибок разрушает некоторые ее кристаллы. Эти наблюдения толкнули мысль Пастера сделать смелое обобщение, что и другие изменения веществ, наблюдаемые в природе и известные к тому времени как различные брожения, также вызываются живыми микроорганизмами. Пастер ставит ряд остроумных опытов, которые неопровержимо доказывают, что все виды брожения вызываются микробами.
Важной формой теоретического мышления является гипотеза – предположение, исходящее из ряда фактов и допускающее существование объекта, его свойств, определенных отношений. Гипотеза – это вид умозаключения, пытающегося проникнуть в сущность еще недостаточно изученной области действительности.
Гипотеза требует проверки и доказательства, после чего она приобретает характер теории – системы обобщенного знания, объяснения тех или иных сторон действительности. Например, утверждение об атомном строении материи было долгое время гипотезой. Подтвержденная опытом, эта гипотеза превратилась в достоверное знание, теорию атомного строения материи.

Описание, объяснение и предвидение

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

2.3. Методы и приемы естественно-научных исследований

Понятие методологии и метода

В современном понимании методология – учение о структуре, логической организации, методах и средствах деятельности. В частности, методология естествознания – это учение о принципах построения, формах и способах естественно-научного познания.
Метод – это совокупность приемов, или операций, практической или теоретической деятельности.
Метод неразрывно связан с теорией: любая система объективного знания может стать методом. Неразрывная связь метода и теории выражается в методологической роли естественно-научных законов. Например, законы сохранения в естествознании составляют методологический принцип, требующий неукоснительного соблюдения при соответствующих теоретических операциях; рефлекторная теория высшей нервной деятельности служит одним из методов исследования поведения животных и человека.
Характеризуя роль правильного метода в научном познании, Ф. Бэкон сравнивал его со светильником, освещающим путнику дорогу в темноте. Нельзя рассчитывать на успех в изучении какого-либо вопроса, идя ложным путем.
Метод сам по себе не предопределяет полностью успеха в естественно-научном исследовании действительности: важен не только хороший метод, но и мастерство его применения.
Различные методы отраслей естествознания: физики, химии, биологии и т. п. являются частными по отношению к общему диалектическому методу познания. Каждая отрасль естествознания, имея свой предмет изучения и свои теоретические принципы, применяет свои специальные методы, вытекающие из того или иного понимания сущности ее объекта. Применяемые специальные методы, например, в археологии или географии, обычно не выходят за пределы данных наук, В то же время физические и химические методы применяются не только в физике и химии, но и в астрономии, биологии, археологии. Применение метода какой-либо отрасли науки в других ее отраслях осуществляется в силу того, что их объекты подчиняются законам этой науки. Например, физические и химические методы применяются в биологии на том основании, что объекты биологического исследования включают в себя в том или ином виде физические и химические формы движения материи.

Сравнение, анализ и синтез

Еще древние мыслители утверждали: сравнение – мать познания. Народ метко выразил это в пословице: «Не узнав горя, не узнаешь и радости». Нельзя узнать, что такое хорошо, не зная плохого, нельзя понять малого без большого и т. п. Все познается в сравнении.
Чтобы узнать, что представляет собой тот или иной предмет, необходимо прежде всего выяснить, в чем он сходен с другими предметами и чем отличается от них. Например, для определения массы какого-либо тела необходимо сравнить ее с массой другого тела, принятого за эталон, т. е. за образец меры. Такой процесс сравнения осуществляется путем взвешивания на весах.
Сравнение есть установление сходства и различия объектов. Сравнение лежит в основе многих естественно-научных измерений, составляющих неотъемлемую часть любых экспериментов.
Сравнивая объекты между собой, человек получает возможность правильно познавать их и тем самым правильно ориентироваться в окружающем мире, целенаправленно воздействовать на него. Будучи необходимым приемом познания, сравнение играет важную роль в практической деятельности человека и в естественно-научном исследовании, когда сравниваются действительно однородные и близкие по своей сущности объекты. Нет смысла сравнивать, как говорят, фунты с аршинами.
Сравнение как весьма общий прием познания часто выступает в различных отраслях естествознания как сравнительный метод.
Процесс естественно-научного познания совершается так, что мы сначала наблюдаем общую картину изучаемого объекта, при которой частности остаются в тени. При таком наблюдении нельзя познать внутреннюю структуру объекта. Для ее изучения мы должны расчленить изучаемые объекты. Анализ представляет собой мысленное или реальное разложение объекта на составляющие его части. Будучи необходимым приемом познания, анализ – также и один из элементов процесса познания.
Невозможно познать сущность объекта, только разлагая его на элементы, из которых он состоит: химик, по словам Гегеля, помещает мясо в свою реторту, подвергает его разнообразным операциям и затем говорит: я нашел, что он состоит из кислорода, углерода, водорода и т. д. Но эти вещи уже не есть мясо. В каждой отрасли естествознания есть как бы свой предел членения объекта, за которым наблюдается иной мир свойств и закономерностей.
Когда путем анализа частности достаточно изучены, наступает следующая стадия познания – синтез – объединение в единое целое расчлененных анализом элементов.
Анализ фиксирует в основном то специфическое, что отличает части друг от друга. Синтез вскрывает то общее, что связывает части в единое целое.
Человек разлагает объект на составные части для того, чтобы сначала обнаружить сами части, узнать, из чего состоит целое, а затем рассмотреть его как состоящее из частей, каждая из которых уже обследована в отдельности. Анализ и синтез находятся в диалектическом единстве между собой: в каждом своем движении наше мышление столь же аналитично, сколь и синтетично.
Анализ и синтез берут свое начало в практической деятельности человека, в его труде. Человек научился мысленно анализировать и синтезировать лишь на основе практического расчленения, разрубания, размалывания, соединения, составления предметов при изготовлении орудий труда, одежды, жилища и т. п. Лишь постепенно осмысливая то, что происходит с объектом при выполнении практических действий с ним, человек учился мысленно анализировать и синтезировать. Анализ и синтез – основные приемы мышления: процессы разъединения и соединения, разрушения и созидания, разложения и соединения: тела отталкиваются и притягиваются; химические элементы вступают в связь и разъединяются; в живом организме непрерывно осуществляются процессы ассимиляции и диссимиляции; в производстве происходит расчленение чего-либо для созидания продукта труда, нужного обществу.

Абстрагирование, идеализация и обобщение

Каждый изучаемый объект характеризуется множеством свойств и связан множеством нитей с другими объектами. В процессе естественно-научного познания возникает необходимость сконцентрировать внимание на одной какой-либо стороне или свойстве изучаемого объекта и отвлечься от ряда других его качеств или свойств.
Абстрагирование – мысленное выделение какого-либо предмета, в отвлечении от его связей с другими предметами, какого-либо свойства предмета в отвлечении от других его свойств, какого-либо отношения предметов в отвлечении от самих предметов. Первоначально абстрагирование выражалось в выделении руками, взором, орудиями труда одних предметов и отвлечении от других. Об этом свидетельствует и происхождение самого слова «абстрактный» – от латинского глагола «tagere» (тащить) и приставки «ab» (в сторону). Да и русское слово «отвлеченный» происходит от глагола «волочь» (тащить).
Абстрагирование составляет необходимое условие возникновения и развития любой науки и человеческого познания вообще. Вопрос о том, что в объективной действительности выделяется абстрагирующей работой мышления и от чего мышление отвлекается, в каждом конкретном случае решается в прямой зависимости от природы изучаемого объекта и тех задач, которые ставятся перед исследователем. Например, в математике многие задачи решаются с помощью уравнений без рассмотрения конкретных вещей, стоящих за ними. Числам нет дела до того, что стоит за ними: люди или животные, растения или минералы. В этом и состоит великая сила математики, а вместе с тем и ее ограниченность.
Для механики, изучающей перемещение тел в пространстве, безразличны физико-кинетические свойства тел, кроме массы. И. Кеплеру были неважны красноватый цвет Марса или температура Солнца для установления законов обращения планет. Когда Луи де Бройль искал связь между свойствами электрона как частицы и как волны, он имел право не интересоваться никакими другими характеристиками этой частицы.
Абстрагирование – это движение мысли вглубь предмета, выделение его существенных элементов. Например, чтобы данное свойство объекта рассматривалось как химическое, необходимо отвлечение, абстракция. В самом деле, к химическим свойствам вещества не относится изменение его формы, поэтому химик исследует медь, отвлекаясь от того, что именно из нее изготовлено.
В живой ткани логического мышления абстракции позволяют воспроизвести более глубокую и точную картину мира, чем это можно сделать с помощью восприятий.
Важным приемом естественно-научного познания мира является идеализация как специфический вид абстрагирования. Идеализация – это мыслительное образование абстрактных объектов, не существующих и неосуществимых в действительности, но для которых имеются прообразы в реальном мире. Идеализация – это процесс образования понятий, реальные прототипы которых могут быть указаны лишь с той или иной степенью приближения. Примеры идеализированных понятий: «точка», т. е. объект, который не имеет ни длины, ни высоты, ни ширины; «прямая линия», «окружность», «точечный электрический заряд», «идеальный газ», «абсолютно черное тело» и др.
Введение в естественно-научный процесс исследования идеализированных объектов позволяет осуществить построение абстрактных схем реальных процессов, необходимых для более глубокого проникновения в закономерности их протекания.
Важной задачей естественно-научного познания является обобщение – процесс мысленного перехода от единичного к общему, от менее общего к более общему.
Например, мысленный переход от понятия «треугольник» к понятию «многоугольник», от понятия «механическая форма движения материи» к понятию «форма движения материи», от суждения «этот металл электропроводен» к суждению «все металлы электропроводны», от суждения «механическая форма энергии превращается в тепловую» к суждению «всякая форма энергии превращается в иную форму энергии» и т. п.
Мысленный переход от более общего к менее общему есть процесс ограничения. Процессы обобщения и ограничения неразрывно связаны между собой. Без обобщения нет теории. Теория создается для применения ее на практике к решению конкретных задач. Например, для измерения объектов, создания технических сооружений всегда необходим переход от более общего к менее общему и единичному, т. е. всегда необходим процесс ограничения.

Абстрактное и конкретное

Процесс естественно-научного познания осуществляется двумя взаимосвязанными путями: путем восхождения от конкретного, данного в восприятии и представлении, к абстракциям и путем восхождения от абстрактного к конкретному. На первом пути наглядное представление «испаряется» до степени абстракции, на втором пути мысль движется снова к конкретному знанию, но уже к богатой совокупности многочисленных определений.
Под абстрактным понимается одностороннее, неполное отражение объекта в сознании. Конкретное же знание есть отражение реальной взаимосвязи элементов объекта в системе целого, рассмотрение его со всех сторон, в развитии, со всеми свойственными ему противоречиями. Конкретное – результат научного исследования, отражение объективной действительности в системе понятий и категорий, теоретически осмысленное единство многообразного в объекте исследования. Методом теоретического познания объекта как целого является восхождение от абстрактного к конкретному.

Аналогия

В природе самого понимания фактов лежит аналогия, связывающая нити неизвестного с известным. Новое легче осмысливается и понимается через образы и понятия старого, известного. Аналогией называется вероятное, правдоподобное заключение о сходстве двух предметов в каком-либо признаке на основании установленного их сходства в других признаках. Заключение оказывается тем более правдоподобным, чем больше сходных признаков у сравниваемых предметов и чем эти признаки существеннее. Несмотря на то, что аналогии дают лишь вероятные заключения, они играют огромную роль в познании, так как ведут к образованию гипотез – научных догадок и предположений, которые в ходе последующего этапа исследований и доказательств могут превратиться в научные теории. Аналогия с тем, что нам известно, помогает понять то, что неизвестно. Аналогия с простым помогает понять более сложное. Так, по аналогии с искусственным отбором лучших пород домашних животных Ч. Дарвин открыл закон естественного отбора в животном и растительном мире. Аналогия с течением жидкости в трубке сыграла важную роль в появлении теории электрического тока. Аналогии с механизмом действия мышц, мозга, органов чувств животных и человека подтолкнули к изобретению многих технических сооружений: экскаваторов, роботов, логических машин и т. п.
Аналогия как метод чаще всего применяется в теории подобия, на которой основано моделирование.

Моделирование

В современной науке и технике все большее распространение получает метод моделирования, сущность которого заключается в воспроизведении свойств объекта познания на специально устроенном его аналоге – модели. Если модель имеет с оригиналом одинаковую физическую природу, то мы имеем дело с физическим моделированием. Модель может строиться по принципу математического моделирования, если она имеет иную природу, но ее функционирование описывается системой уравнений, тождественной той, которая описывает изучаемый оригинал.
Моделирование широко применяется потому, что оно позволяет исследовать процессы, характерные для оригинала, в отсутствии самого оригинала и в условиях, не требующих его наличия. Это часто бывает необходимо из-за неудобства исследования самого объекта и по другим соображениям: дороговизны, недоступности, трудности доставки, необозримости и т. п.
Ценность модели заключается в том, что ее значительно легче изготовить, с ней легче осуществить эксперименты, чем с оригиналом и т. д.
В последнее время активно разрабатываются электронные моделирующие устройства, в которых с помощью электронных процессов воспроизводится по заданной программе реальный процесс. Принцип моделирования составляет основу кибернетики. Моделирование применяется в расчетах траекторий баллистических ракет, в изучении режима работы машин и целых предприятий, в распределении материальных ресурсов и т. д.

Индукция и дедукция

В качестве метода естественно-научного исследования индукцию можно определить как процесс выведения общего положения из наблюдения ряда частных единичных фактов.
Обычно различают два основных вида индукции: полную и неполную. Полная индукция – вывод какого-либо общего суждения о всех объектах некоторого множества на основании рассмотрения каждого объекта данного множества. Сфера применения такой индукции ограничена объектами, число которых конечно. На практике чаще применяется форма индукции, которая предполагает вывод о всех объектах множества на основании познания лишь части объектов. Такие выводы неполной индукции часто носят вероятностный характер. Неполная индукция, основанная на экспериментальных исследованиях и включающая теоретическое обоснование, способна давать достоверное заключение. Она называется научной индукцией. По словам известного французского физика Луи де Бройля, индукция, поскольку она стремится раздвинуть уже существующие границы мысли, является истинным источником действительно научного прогресса. Великие открытия, скачки научной мысли вперед создаются в конечном счете индукцией – рискованным, но важным творческим методом.
Дедукция – это процесс аналитического рассуждения от общего к частному или менее общему. Началом (посылками) дедукции являются аксиомы, постулаты или просто гипотезы, имеющие характер общих утверждений, а концом – следствия из посылок, теорем. Если посылки дедукции истинны, то истинны и ее следствия. Дедукция – основное средство доказательства. Применение дедукции позволяет вывести из очевидных истин знания, которые уже не могут с непосредственной ясностью постигаться нашим умом, однако представляются в силу самого способа их получения вполне обоснованными и тем самым достоверными. Дедукция, проводящаяся по строгим правилам, не может приводить к заблуждениям.

 2.4. Научное открытие и доказательство

Логика открытия

Логический путь научного и технического творчества, связанного с открытием, чаще всего начинается с возникновения соответствующей догадки, идеи, гипотезы. Выдвинув идею, сформулировав задачу, ученый отыскивает ее решение, а затем уточняет его путем расчетов, проверки опытом.
Открытие – установление новых, ранее неизвестных закономерностей, свойств и явлений материального мира, вносящее коренные изменения в уровень познания. За «спиной» любого открытия скрывается приведший к нему тернистый путь, зачастую извилистый, противоречивый и всегда поучительный. Бытует убеждение, будто открытие – результат случайности, внезапного озарения мысли, вдохновения, таинственной творческой интуиции, подсознательного или даже болезненного состояния психики, способной создавать из обычных впечатлений необычные комбинации, рождать «сумасшедшие» идеи, способные ломать наши обычные представления.
Пути, ведущие к открытию, действительно причудливы. На такие пути иногда наводит случай. Так, например, выдающийся датский ученый Х.К. Эрстед однажды показывал студентам опыты с электричеством. Рядом с проводником, входящим в электрическую цепь, оказался компас. Когда цепь замкнулась, магнитная стрелка компаса вдруг отклонилась. Заметив это, любознательный студент попросил ученого объяснить данное явление. В результате повторных опытов и логических рассуждений ученый сделал великое открытие, заключающееся в установлении связи между магнетизмом и электричеством. Это открытие послужило в свою очередь базой для изобретения электромагнита и других открытий.
Подобных примеров много, но они не могут убедить нас в том, что открытия вообще – результат чистого случая. Случаем ведь нужно уметь воспользоваться. Случай помогает тому, кто упорно работает над осуществлением своей идеи, замысла. Мы видим дом, но не замечаем фундамент, на котором он стоит. Фундамент любого открытия и изобретения – это общечеловеческий и личный опыт.
В творческой деятельности ученого нередки случаи, когда творческий акт мысли осознается как готовый, и самому автору представляется так, как будто его вдруг «осенило». За способностью как бы «внезапно» схватывать суть дела и чувствовать полную уверенность в правильности идеи по существу стоит накопленный опыт, приобретенные ранее знания и упорная работа ищущей мысли. При этом каждое новое открытие или изобретение подготовлено множеством предшествующих побед и заблуждений.

Открытие как разрешение противоречий

Одна из характерных особенностей творческой работы состоит в разрешении противоречий. Любое научное открытие или изобретение представляет собой создание нового, неизбежно связанного с отрицанием старого. В этом заключается диалектика развития мысли. Творческий процесс вполне логичен. Выстраивается логическая цепь операций, в которой одно звено закономерно следует за другим: постановка задачи, предвидение идеального конечного результата, отыскание противоречия, мешающего достижению цели, открытие причины противоречия и, наконец, разрешение противоречия.
Например, в кораблестроении для обеспечения мореходных качеств корабля необходим оптимальный учет противоположных условий: чтобы корабль был устойчив, необходимо делать его шире, а чтобы он был быстроходнее, целесообразно его делать длиннее и уже. Особенно наглядны технические противоречия в самолетостроении: самолет нужно сделать прочным и легким, а требования прочности и легкости противоположны.
История естествознания и техники свидетельствует, что подавляющее большинство изобретений – результат преодоления противоречий. Проницательный естествоиспытатель и опытный изобретатель, как правило, приступая к решению научной или технической проблемы, ясно представляют, в каком направлении идет развитие науки и техники. Открытия зачастую рождаются в ситуации, когда ученого «загоняют» в тупик парадоксальные, неожиданные факты, кажущиеся ошибкой в эксперименте, отклонения от законов. Академик П.Л. Капица однажды сказал, что для физика интересны не столько сами законы, сколько отклонения от них. И это верно, так как, исследуя их, ученые обычно и открывают новые закономерности. В ситуации обнаруженного парадокса возникает рабочая гипотеза, объясняющая и тем самым устраняющая парадокс. Она проверяется экспериментом.
Сделать открытие – значит правильно установить надлежащее место нового факта в системе теории в целом, а не просто обнаружить его. Когда новые факты вступают в противоречие с существующей теорией, то логика мысли теми или иными путями разрешает это противоречие, и при этом всегда в пользу требований новых фактов. Их осмысление ведет к построению новой теории.    

Творческое воображение и интуиция

Творческое воображение позволяет по едва заметным или совсем не заметным для простого глаза деталям, единичным фактам улавливать общий смысл новой конструкции и пути, ведущие к ней. Человек, лишенный творческого воображения и руководящей идеи, в обилии фактов может не увидеть ничего особенного, он к ним привык.
Сила творческого воображения позволяет человеку взглянуть на примелькавшиеся вещи новыми глазами и различить в них черты, доселе никем не замеченные. Английскому инженеру было поручено построить мост через реку, который отличался бы прочностью и в то же время не был дорог. Как-то, прогуливаясь по саду, инженер заметил паутину, протянутую через дорожку. В ту же минуту ему пришла в голову мысль построить висячий мост на железных цепях.
Существенное значение в воспитании творческого воображения играет искусство. И далеко не случаен тот факт, что ряд крупных физиков и математиков считают красоту и развитое чувство прекрасного эвристическим принципом науки, существенным атрибутом научной интуиции.
Многие ученые утверждают, что, например, музыка способствует развитию интуиции, т. е. умению видеть и преобразовывать в своем воображении факты так, что в них прослеживается гармония закономерного. Например, выдающийся академик П.С. Александров устраивал вечера с прослушиванием классической музыки, и к каждому прослушанному музыкальному произведению он находил своеобразное, но интересное словесное повествование. Известно, что П. Дирак выдвинул идею о существовании позитрона по соображениям чисто эстетическим.
В процессе научного открытия большую роль играет интуиция – способность постижения истины путем прямого ее усмотрения, без обоснования с помощью доказательства.
Процесс творчества, осмысление данных чувственного восприятия нередко осуществляется в порядке мгновенного обобщения, своего рода мысленного замыкания, непосредственно от исходных данных к результату. Происходит быстрая мобилизация прошлого опыта на постижение сути какого-либо факта. Изощренный огромным опытом, мудрый глаз врача без рассуждений, по незначительным симптомам сразу схватит суть болезни, а потом уже врач обосновывает правильность своего чутья.
На вершину обостренного интуитивного чувства человек обычно поднимается, опираясь на прочный фундамент жизненного опыта, на крылья вдохновения. Многие ученые и художники считают, что самыми плодотворными в их творческом процессе являются моменты приливов вдохновения. После каких-то, может быть, очень долгих и мучительных исканий вдруг наступает удивительное чувство творческого порыва и ясности сознания. В этот момент человек работает быстро и сам чувствует, что делает хорошо, именно так, как нужно, как ему хотелось. Понятие интуиции сближает научное творчество с художественным.
Открытия никогда не вырастают на пустом месте. Они возникают в результате заполнения сознания ученого напряженными поисками решения каких-либо творческих задач. Пытаясь воссоздать психологический и логический путь, которым ученый идет к открытию, мы сталкиваемся с удивительной способностью его взглянуть на вещи как бы в первый раз, без груза привычных представлений.          
Однажды, идя по улице в сильный дождь, русский ученый Н.Е. Жуковский, погруженный в размышления, остановился перед ручьем, через который ему нужно было перешагнуть. Вдруг его взгляд упал на кирпич, лежавший посреди потока воды. Ученый стал внимательно всматриваться в то, как под напором воды изменилось положение кирпича, а вместе с этим изменился и характер огибающей кирпич струи воды... На лице ученого вспыхнула радость открытия: вот оно, искомое решение гидродинамической задачи! Многие люди сотни раз видели кирпич, лежащий в ручье, и проходили мимо непримечательного для них явления. И только глаз ученого с острой наблюдательностью и силой творческого воображения смогу видеть в данном факте важные черты и открыть закономерность явления.
К достижениям всего нового ведут острая наблюдательность, кропотливое изучение фактов и сила творческого воображения. В процессе научного исследования – экспериментального или теоретического – ученый ищет нужное решение проблемы, ведет поиск. Поиск можно вести ощупью, наугад, но можно и целенаправленно. Во всяком творении есть направляющая идея, играющая огромную роль. Это своего рода руководящая сила, без нее ученый неизбежно обрекает себя на блуждание в потемках. Наблюдение, эксперимент, проводимые наобум, без ясно осознанной общей идеи, не могут привести к эффективному результату. Без идеи в голове, говорил И.П. Павлов, вообще не увидишь факта.
Ученый не может знать всех фактов: им нет числа. Значит, из моря фактов должен быть сделан разумный выбор вполне определенных фактов, и при этом тех, которые необходимы для понимания сути проблемы. Чтобы не пренебрегать какими-либо существенными фактами, нужно заранее знать или интуитивно чувствовать, чего они стоят. Результаты интуитивного постижения нуждаются в логическом доказательстве своей истинности.

Доказательство

Характерная черта научного мышления – доказательство. Истинность или ложность того или иного утверждения, как правило, не обладает прозрачной очевидностью. Только простейшие суждения нуждаются для подтверждения своей истинности лишь в применении чувственного восприятия. Подавляющее большинство утверждений принимаются за истинные не на уровне чувственного познания и не отдельно от всех других истин, а на уровне логического мышления, в связи с другими истинами, т. е. путем доказательства.
Во всяком доказательстве имеются: тезис, основания доказательства (аргументы) и способ доказательства. Тезисом называется положение, истинность или ложность которого выясняется посредством доказательства. Доказательство, посредством которого выясняется ложность, называется опровержением.
Все положения, на которые опирается доказательство и из которых необходимо следует истинность доказываемого тезиса, называются основаниями или аргументами. Основания состоят из положений о достоверных фактах, определений, аксиом и ранее доказанных положений.
Аксиомы – положения, не доказываемые в данной науке и играющие в ней роль допускаемых оснований доказываемых истин.
Связь оснований и выводов из них, имеющая результатом необходимое признание истинности доказываемого тезиса, называется способом доказательства. Доказательства одного и того же положения науки могут быть различными. Связь оснований, ведущая к истинности доказательного тезиса, не единственна. Поскольку она не дана вместе с самими основаниями, а должна быть установлена, постольку доказательство – теоретическая задача. В ряде случаев задача доказательства оказывается настолько сложной, что решение ее требует от ученых огромных усилий на протяжении целых десятилетий или даже столетий. В течение почти двух с половиной тысячелетий оставалось недоказанным существование атома, пока успехи новой экспериментальной и теоретической физики не принесли наконец это доказательство. Гениальная догадка Джордано Бруно о существовании планет, обращающихся вокруг других звезд, получила доказательное подтверждение только в последние десятилетия.
От примитивных способов доказательства, опирающихся на неточные, приблизительные представления, до современных доказательств, основанных на достоверных фактах, точно определяемых понятиях, на свободных от противоречий и достаточных в своем числе аксиомах, а также на уже строго доказанных ранее положениях, практика доказательства прошла большой путь совершенствования, подняв умственную культуру на уровень современной науки.

2.5. Эксперимент - основа естествознания

Практическая направленность эксперимента

Развитие общества в значительной степени определяется уровнем наукоемких технологий, многочисленные направления которых основаны на достижениях соответствующих отраслей естествознания. Современное естествознание обладает большим многообразием методов исследований, среди которых эксперимент – наиболее эффективное и действенное средство познания.
Для эксперимента сегодняшнего дня характерны три основные особенности:

•  возрастание роли теоретической базы эксперимента. Во многих случаях эксперименту предшествует теоретическая работа, концентрирующая громадный труд большого числа теоретиков и экспериментаторов;
•  сложность технического оснащения эксперимента. Техника эксперимента, как правило, насыщена многофункциональной электронной аппаратурой, прецизионными механическими устройствами, высокочувствительными приборами, высокоточными преобразователями и т. п. Большинство экспериментальных установок представляет собой полностью замкнутую систему автоматического регулирования, в которой технические средства обеспечивают заданные условия эксперимента с вполне определенной точностью, регистрируют промежуточные экспериментальные результаты и производят последовательную их обработку;
•  масштабность эксперимента. Некоторые экспериментальные установки напоминают сложные объекты крупных масштабов. Строительство и эксплуатация таких объектов стоят больших финансовых затрат. Кроме того, экспериментальные объекты могут оказать активное воздействие на окружающую среду.

Эксперимент базируется на практическом воздействии субъекта на исследуемый объект и часто включает операции наблюдения, приводящие не только к качественным, описательным, но и к количественным результатам, требующим дальнейшей математической обработки. С этой точки зрения, эксперимент – разновидность практического действия, предпринимаемого с целью получения знания. В процессе экспериментального естественно-научного исследования в контролируемых и управляемых условиях изучаются многообразные свойства и явления природы.
Отличаясь от простого наблюдения активным воздействием на изучаемый объект, в большинстве случаев эксперимент осуществляется на основе той или иной теории, определяющей постановку экспериментальной задачи и интерпретацию результатов. Нередко основная задача эксперимента – проверка гипотез и предсказаний теории, имеющих фундаментальное, прикладное и принципиальное значение. Являясь критерием естественно-научной истины, эксперимент представляет собой основу научного познания действительности.
Эксперимент, как и наблюдение, относится к эмпирическим формам естественно-научного познания. Однако между ними есть существенные различия: эксперимент – преобразующая внешний мир деятельность человека, а наблюдению свойственны черты созерцательности и чувственного восприятия исследуемого объекта. В процессе эксперимента при активном вмешательстве в исследуемый объект искусственно выделяются те или иные его свойства, которые и являются предметом изучения в естественных либо в специально созданных условиях.
В процессе естественно-научного эксперимента часто прибегают к физическому моделированию как исследуемого объекта, так и различных управляемых условий, в которых находится объект. Для этого создаются специальные установки и устройства: барокамеры, термостаты, магнитные ловушки, ускорители и т. п. С их помощью создаются сверхнизкие и сверхвысокие температуры и давления, вакуум и другие условия. В некоторых случаях моделирование исследуемого объекта – единственное средство реализации эксперимента.
Многие экспериментальные исследования направлены не только на обоснование естественно-научной истины, но и на отработку технологий изготовления новых видов разнообразной высококачественной продукции. Именно в этом наиболее сильно проявляется практическая направленность эксперимента как прямого пути совершенствования любого технологического цикла.
Экспериментальные средства по своей сути не однородны: их можно разделить на три основные отличающиеся функциональным назначением системы:
· содержащую исследуемый объект с заданными свойствами;
· обеспечивающую воздействие на исследуемый предмет;
· сложную приборную измерительную систему.
В зависимости от экспериментальной задачи данные системы играют разную роль. Например, при определении магнитных свойств вещества результаты эксперимента во многом зависят от чувствительности приборов. В то же время при проведении экспериментов с веществом, не встречающимся в природе при обычных условиях, да еще и при низкой температуре, все системы экспериментальных средств играют важную роль.
Чем сложнее экспериментальная задача, тем острее стоит вопрос чистоты эксперимента и достоверности полученных результатов. Можно назвать четыре пути решения данного вопроса:

• многократное повторение измерений;
• совершенствование технических систем и приборов; повышение их точности,   чувствительности и разрешающей способности;
• более строгий учет основных и не основных факторов, влияющих на исследуемый объект;
• предварительное планирование эксперимента, позволяющее наиболее полно учесть специфику исследуемого объекта и возможности приборного обеспечения.

Чем чище поставлен эксперимент, чем тщательнее предварительно проанализированы все особенности исследуемого объекта и чем чувствительнее приборы, тем точнее экспериментальные результаты и тем ближе они соответствуют естественно-научной истине.
В любом естественно-научном эксперименте можно видеть три основных этапа:
· подготовительный;
· получение экспериментальных данных;
· обработка результатов эксперимента и их анализ.
Подготовительный этап обычно включает теоретическую проработку проведения эксперимента, его планирование, подготовку исследуемого объекта, конструирование и создание технической базы, включающей приборное обеспечение. На хорошо подготовленной экспериментальной базе полученные данные, как правило, легче поддаются сложной математической обработке. Анализ результатов эксперимента позволяет оценить тот или иной параметр исследуемого объекта и сопоставить его либо с соответствующим теоретическим значением, либо с экспериментальным значением, полученным другими техническими средствами, что очень важно при определении правильности и степени достоверности полученных результатов.

Теоретические предпосылки эксперимента

Взаимная обусловленность эмпирических и теоретических знаний вряд ли вызывает сомнение. Современные эксперименты и теория настолько сильно переплетены, что однозначно ответить на вопрос, какое из данных знаний можно рассматривать в качестве абсолютного начала естественно-научного познания, практически не представляется возможным, хотя можно привести многочисленные примеры научных изысканий, когда эмпирические начала предвосхищают теорию, и наоборот. Анализ соотношения эмпирического и теоретического начал актуален и по сей день.
В теоретические исследования всё больше внедряются наиболее абстрактные разделы математики, и многие теоретические расчеты выполняются с помощью мощных вычислительных средств. Экспериментальное исследование развивается за счет внедрения новых методов с применением сравнительно сложных технических средств. Эксперимент все чаще приобретает индустриальные, а в отдельных случаях и гигантские масштабы. Вместе с тем возрастает и роль его теоретического обеспечения, т. е. можно уверенно говорить о теоретической обусловленности современных экспериментальных исследований.
На всех этапах экспериментальных исследований весьма важна мыслительная деятельность экспериментатора, которая чаще всего носит философский характер. Решая, например, вопросы: что такое электрон, является ли он элементом реального мира или чистой абстракцией, можно ли его наблюдать, в какой мере знания об электроне истинны и т. п.,– ученый так или иначе касается философских проблем естествознания. Более глубокая связь естествознания с философией свидетельствует о более высоком уровне его развития. Естественно, с течением времени теоретическое мышление с философской ориентацией меняется и приобретает различные формы и содержание. Лучших результатов достигнет естествоиспытатель, свободно владеющий своими узкопрофессиональными вопросами и достаточно легко ориентирующийся в общих философских вопросах, связанных прежде всего с диалектикой и теорией естественно-научного познания.
Стремление ученых создать научную картину мира сближает естествознание с философией. Научная картина мира обладает большей общностью, чем теоретические схемы конкретных естественно-научных утверждений. Она образуется посредством особых связей отдельных элементов познания и представляет собой весьма общую идеальную модель реальных процессов, явлений и свойств вещества, исследуемых в рамках узких отраслей естествознания. В широком понимании научная картина мира выражает общее знание о природе, характерное для данного этапа развития общества. Описание картины мира в общем представлении создает понятия, более или менее близкие к понятиям повседневного, обыденного языка.
В те периоды развития естествознания, когда на смену старой картины мира приходит новая, при постановке эксперимента возрастает роль философских идей в виде теоретических постулатов, на основе которых реализуется эксперимент.
В эпоху становления физики как науки, когда специальных естественно-научных теорий не существовало, ученые, как правило, руководствовались общими философскими представлениями о единстве и родстве материальных объектов и явлений природы. Например, Г. Галилей, закладывая основы классической механики, опирался на общую модель единства мира. Такая идея помогла «земными глазами» взглянуть на небо и описать движение небесных тел по аналогии с движением тел на Земле, что в свою очередь подтолкнуло ученых к более тщательному изучению различных форм механического движения, в результате чего были открыты классические законы механики.
Философская идея материального единства мира питала многие экспериментальные исследования и способствовала накоплению новых естественно-научных фактов. Так, например, известный датский физик X. Эрстед, размышляя о связи между разными по физической природе явлениями – теплотой, светом, электричеством и магнетизмом, – в результате экспериментальных исследований открыл магнитное действие электрического тока.
Особенно важна роль теоретических предпосылок эксперимента, когда сложившиеся теоретические знания служат основой новых естественно-научных проблем и гипотез, требующих предварительного эмпирического обоснования.
В современных условиях возрастает роль теоретической работы на подготовительном этапе эксперимента, на каждой операции его по-разному включаются те или иные теоретические и практические процедуры исследований. Можно назвать четыре основные операции подготовительного этапа эксперимента:
· постановка задачи эксперимента и выдвижение гипотетических вариантов ее решения;
· разработка программы экспериментального исследования,
· подготовка исследуемого объекта и создание экспериментальной установки;
· качественный анализ хода эксперимента и корректировка программы исследования и приборного обеспечения.
При кажущейся случайности эмпирические открытия вписываются во вполне определенную логическую схему, отправным элементом которой выступает противоречие между известным теоретическим знанием и новыми эмпирическими данными. Такое противоречие является логическим основанием вновь возникшей проблемы – своеобразной границы между знанием и незнанием – первого шага осмысления неизвестного. Следующий шаг – выдвижение гипотезы как возможного решения проблемы.
Выдвинутая гипотеза вместе с выводимыми из нее следствиями служит основой, определяющей цели, задачи и практические средства эксперимента. В одних случаях при сложившейся теоретической схеме гипотеза может обладать высокой степенью достоверности. Такая гипотеза жестко задает программу эксперимента и нацеливает его на поиск теоретически предсказанного результата. В других случаях, когда теоретическая схема только-только зарождается, степень достоверности гипотезы может быть невысокой. При этом теория лишь эскизно задает схему эксперимента, увеличивается число проб и ошибок.
На подготовительной стадии эксперимента огромную, неоценимую роль играет изобретательская и конструкторская работа как научный творческий процесс. Успех любой экспериментальной работы зависит от таланта ученого, определяемого его прозорливостью, глубиной абстрактного мышления, оригинальностью решения технических задач, способностью к изобретательской деятельности, представляющей собой последовательный целенаправленный переход от теоретического знания к практическому поиску.
Таким образом, хотя эксперимент основывается на практической деятельности, но, будучи естественнонаучным методом познания действительности, он включает логические и теоретические средства, гармоническое сочетание которых и позволяет успешно решить поставленную задачу.

Сочетание практических и теоретических знаний

Подготовка исследуемого объекта и создание экспериментальной установки – важные шаги реализации программы исследований, после которых наступает основной период проведения самой экспериментальной работы. Такой период, казалось бы, характеризуется чисто эмпирическими признаками: изменением управляемых условий, включением и выключением приборов и различных механизмов, фиксированием тех или иных свойств, эффектов и т. п. В ходе эксперимента как бы уменьшается роль теории. Но на самом деле наоборот – без теоретического знания невозможны постановка промежуточных задач и их решение. Экспериментальная установка – овеществленное, материализованное знание. Роль теории входе эксперимента предполагает выяснение механизма формирования объекта познания и взаимодействия субъекта, приборов и объекта, измерения, наблюдения и регистрации экспериментальных данных.
Теоретические предпосылки могут содействовать получению позитивных сведений о мире, научному открытию либо мешать, уводить поиск в сторону от верного пути – все зависит от того, верны или не верны данные предпосылки. Иногда ученые в силу объективных или субъективных обстоятельств руководствуются ложными предпосылками, что, естественно, не способствует объективному отражению действительности. Например, ложное истолкование научных проблем кибернетики и генетики привело к существенному отставанию в данных отраслях знания.
В истории естествознания прослеживается тенденция развития процесса познания от качественного изучения объекта или явления к установлению их количественных параметров и выявлению общих закономерностей, выраженных в строгой математической форме. Строгость и точность экспериментальных сведений при этом зависит от совершенства методов измерений и чувствительности разрешающей способности и точности измерительной техники.
Современный эксперимент характеризуется высокой точностью измерений. Можно назвать несколько путей повышения точности:
· введение новых эталонов;
· применение чувствительных приборов;
· учет всех условий, влияющих на объект;
· сочетание разных видов измерений;
· автоматизация процесса измерений.
Оптимальное сочетание данных путей определяется субъективным свойством естествоиспытателя и в большой степени зависит от степени совершенства экспериментальной техники.
Организация постоянного взаимодействия наблюдения, измерения и количественного описания в процессе эксперимента опосредуется теоретическими знаниями, включающими философское представление о картине мира, гипотезы и т. д.
Теоретические знания в ходе эксперимента лежат в основе:
· формирования сложного объекта исследований;
· перегруппировки элементов объекта, скрытых от непосредственного наблюдения;
· фиксации и регистрации экспериментальных данных;
· интерпретации полученных данных и их сопоставления с теоретическими.
При реализации данных процессов естествоиспытатель постоянно сверяет свои действия и результаты с теоретическими посылками. Когда эксперимент находится в завершающейся стадии и собраны основные экспериментальные результаты, теоретическая работа не прекращается – она направлена на обработку результатов эксперимента.

Обработка экспериментальных результатов

После получения первых экспериментальных результатов процедура эксперимента продолжается. Во-первых, как правило, разовый эксперимент не дает окончательного ответа на поставленный вопрос. Во-вторых, полученные экспериментальные результаты нуждаются в логической доработке, превращающей их в научный факт, т. е. в то, в истинности чего не возникает сомнений.
Представление о фактах как проявлениях действительности, непосредственно фиксируемых в формах чувственного отражения, сложилось в науке на ранней стадии зарождения естествознания. Практика современного естествознания показывает, что не все факты непосредственно воспринимаются, чаще всего факты не являются тем, что сразу бросается в глаза и может быть зафиксировано всеми, кто обладает нормальным зрением.
Факты в естествознании не просто собираются, а активно формируются естествоиспытателем, что отнюдь не снижает их объективности. В равной мере и теория, несмотря на проявление творческой активности субъекта, не утрачивает своей объективности, если она истинна.
Отдельные экспериментальные данные, полученные на начальной стадии эмпирического исследования, сами по себе не становятся фактами науки. В них могут содержаться ошибки, связанные с некорректной постановкой эксперимента, неправильными показаниями измерительных приборов, отклонениями в функционировании органов чувств и т. п. Поэтому в естествознании, как правило, проводится не один, а серия экспериментов. Уточняются и проверяются результаты эксперимента, собираются недостающие сведения, проводятся дополнительные эксперименты. Затем полученные в серии экспериментов данные подвергаются математической обработке.
При кажущейся простоте получения и обработки первичных экспериментальных данных, т. е. результатов наблюдений и измерений, математическая обработка, обладая определенной спецификой, производится в рамках строгой теории ошибок, на основании которой количественно определяется достоверность окончательных результатов. Сколь бы точными ни были наблюдения и измерения, погрешности неизбежны, и задача естествоиспытателя заключается в том, чтобы приблизить экспериментальные данные к объективным значениям определяемых величин, т. е. уменьшить интервал неточности. Для этого каждый исследователь должен иметь представление обо всех ошибках, встречающихся в практике экспериментального исследования. Современная теория ошибок вооружает экспериментаторов надежными средствами корректировки экспериментальных данных.
Статистическая обработка – не только эффективное средство уточнения экспериментальных данных, отсеивания случайных ошибок, но и первый шаг к обобщению их в процессе формирования научного факта. Разумеется, статистическая обработка – необходимая, но не достаточная операция при переходе от эмпирических данных к естественно-научным фактам.
После уточнения экспериментальных результатов начинается следующая стадия – сравнение и обработка. Если в результате сравнения и обобщения готовится материал для последующих обобщений, то в науке фиксируется новое явление. Однако это не означает завершения процесса формирования научного факта. Вновь зафиксированное явление становится научным фактом после его интерпретации.
Таким образом, научный факт, полученный в эксперименте, представляет собой результат обобщения совокупности выводов, основанных на наблюдениях и измерениях характеристик исследуемого объекта при предсказании их в виде гипотезы.

2.6. Современные средства естественно-научных исследований

Специфика современных экспериментальных и теоретических исследований

На протяжении всех этапов эксперимента естествоиспытатель руководствуется в той или иной форме теоретическими знаниями. В последнем столетии в силу ряда объективных причин основной профессиональной деятельностью некоторых ученых стала исключительно теоретическая работа. Одним из первых ученых, которые не проводили никаких экспериментов, был немецкий физик Макс Планк.
Произошло, таким образом, деление естествоиспытателей на профессиональных теоретиков и экспериментаторов. Во многих отраслях естествознания возникли экспериментальные и теоретические направления и в соответствии с ними появились специализированные лаборатории и даже институты, например Институт теоретической физики. Такой процесс наиболее активно проходит во второй половине XX столетия. В прежние времена не только Ньютон и Гюйгенс, но и такие выдающиеся теоретики, как Максвелл, обычно сами экспериментально проверяли свои теоретические выводы и утверждения. В последние же десятилетия только в исключительных случаях теоретик проводит экспериментальную работу, чтобы подтвердить выводы своих теоретических изысканий.
Одна из существенных объективных причин профессиональной обособленности экспериментаторов и теоретиков заключается в том, что технические средства эксперимента значительно усложнились. Экспериментальная работа требует концентрации больших усилий, она не под силу одному человеку и выполняется в большинстве случаев целыми коллективом научных работников. Например, для проведения эксперимента с применением ускорителя, реактора и т. п. требуется относительно большой штат научных сотрудников. Поэтому даже при большом желании теоретик не в состоянии проверить на практике свои теоретические выводы и предложения.
Еще в 60-е годы нынешнего столетия, когда практически все отрасли естествознания находились на подъеме, академик П.Л. Капица с тревогой говорил о разрыве между теорией и экспериментом, между теорией и жизнью, между теорией и практикой, отмечая отрыв теоретической науки от жизни, с одной стороны, и, с другой стороны, недостаточно высокое качество экспериментальных работ, что нарушает гармоническое развитие науки.
Гармоническое развитие естествознания возможно тогда, когда теория опирается на достаточно основательную экспериментальную базу. А это означает, что для экспериментатора нужна хорошая материальная база; помещение со всевозможным специальным оборудованием, большой набор высокочувствительных приборов, специальные материалы, мастерские и т. п. Темпы развития естествознания в значительной степени обусловливаются совершенством такой материальной базы.
Отрыв теории от эксперимента, опыта, практики наносит громадный ущерб прежде всего самой теории и, следовательно, науке в целом. Отрыв от опыта и жизни характерен не только для естествоиспытателей, но и для философов, занимающихся философскими проблемами естествознания. Ярким примером может служить отношение некоторых философов к кибернетике в конце 40-х – начале 50-х годов, когда в отечественных философских словарях кибернетика называлась реакционной лженаукой. Если бы ученые руководствовались таким определением кибернетики, то, очевидно, освоение космоса и создание современных наукоемких технологий не стало бы реальностью, так как сложные многофункциональные процессы, вне зависимости от области их применения, управляются кибернетическими системами.
Работа крупных ученых-естествоиспытателей, внесших большой вклад в развитие современного естествознания, несомненно проходила в тесной взаимосвязи теории и эксперимента. Поэтому для развития естествознания на здоровой почве всякое теоретическое обобщение должно непременно проверяться на опыте. Только гармоническое развитие эксперимента и теории способно поднять на качественно новый уровень все отрасли естествознания.

Современные методы и технические средства эксперимента

Экспериментальные методы и технические средства современных естественно-научных исследований достигли высокой степени совершенства. Многие технические устройства эксперимента основаны на физических принципах. Но их практическое применение выходит далеко за рамки физики – одной из отраслей естествознания. Они широко применяются в химии, биологии и других смежных естественных науках. С появлением лазерной техники, компьютеров, спектрометров и другой совершенной техники стали доступны для экспериментального исследования неизвестные ранее явления природы и свойства материальных объектов, стал возможен анализ быстропротекающих физических и химических процессов.
Лазерная техника. Для экспериментальных исследований многих физических, химических и биологических процессов весьма важны три направления развития лазерной техники:
· разработка лазеров с перестраиваемой длиной волны излучения;
· создание ультрафиолетовых лазеров;
· сокращение длительности импульса лазерного излучения до 1 ас (10-18 с) и меньше:
Чем шире спектр излучения лазера, в котором он может перестраиваться, тем ценнее такой лазер для исследователя. Среди лазеров с перестраиваемой длиной волны широко применяются лазеры на красителях. Длина волн излучения таких лазеров охватывает спектр от ближней ультрафиолетовой области до ближней инфракрасной, включая видимый диапазон, и легко перестраивается в этом спектре. К настоящему времени разработаны лазеры, длина волны которых составляет менее 300 нм, т. е. соответствует ультрафиолетовой области. К таким лазерам относится, например, криптон-фторидный лазер.
Разрабатываются лазеры, длительность импульса излучения которых приближается к 1 ас. Такие лазеры, несомненно, позволят определить механизм физических, химических и биологических процессов, протекающих с чрезвычайно высокой скоростью.
Трудно перечислить все области применения лазеров для исследования многообразных химических процессов. Назовем лишь некоторые из них: в фотохимии лазер помогает изучить процесс фотосинтеза и тем самым найти способ более эффективно использовать солнечную энергию; с помощью лазеров разделяются изотопы, например, производится очистка изотопов урана и плутония; лазерные приборы служат анализаторами химического состава воздуха; в биологии лазеры дают возможность изучить живые организмы на клеточном уровне. Весьма многообразно применение лазеров в химической кинетике при исследовании различных процессов, длительность которых составляет от 10-12 до 10-18 и менее секунд.
Возможности естественно-научных исследований расширяются с применением лазеров на свободных электронах. Принцип действия таких лазеров основан на том, что в пучке электронов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, в периодически изменяющемся магнитном поле в направлении движения электронов возникает излучение света. Эксперимент показывает, что лазеры на свободных электронах отличаются высокой эффективностью перестройки длины волны при большой мощности излучения в широком диапазоне – от микроволнового излучения до вакуумного ультрафиолета.
Синхротронные источники излучения. Синхротроны применяются не только в физике высоких энергий для исследования механизма взаимодействия элементарных частиц, но и для генерации мощного синхротронного излучения с перестраиваемой длиной волны в коротковолновой ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра. Исследование структуры твердых тел, определение расстояния между атомами, изучение строения молекул органических соединений – успешному решению этих и других задач способствует синхротронное излучение.
Экспериментальные методы расшифровки сложных структур. Для идентификации и анализа сложных структур, в частности для анализа сложных молекул, необходимо управлять химическими процессами и затем определять состав и структуру продуктов реакций. Предложенные физиками эффективные методы экспериментальных исследований макрообъектов на молекулярном уровне – ядерный магнитный резонанс, оптическая спектроскопия, масс-спектроскопия, рентгеноструктурный анализ, нейтронография и т. п. – позволяют исследовать состав и структуру необычайно сложных молекул, что способствует изучению, например, химической природы жизненно важных биологических процессов.
Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основан на анализе взаимодействия магнитного момента атомных ядер с внешним магнитным полем. Это один из важнейших методов в разных отраслях естествознания, в особенности, в химии: химии синтеза, химии полимеров, биохимии, медицинской химии и т. п. С помощью метода ЯМР можно определить, например, химическое окружение атомов водорода даже в таких сложных молекулах, как сегменты ДНК. Прогресс в развитии спектроскопии ЯМР зависит от возможности создания сильного магнитного поля, которое можно получить с помощью компактных сверхпроводящих магнитов. Созданный в 1973 г. томограф, основанный на ЯМР, позволяет наблюдать картину распределения химических отклонений и концентрации ядер таких крупных объектов, как тело человека, что весьма важно при диагностике ряда заболеваний, в том числе и злокачественных опухолей.
Оптическая спектроскопия позволяет анализировать спектр излучения вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях: твердом, .жидком, газообразном. Спектральный анализ – физический метод качественного и количественного определения состава вещества по его оптическому спектру излучения. В качественном спектральном анализе полученный спектр интерпретируют с помощью таблиц и атласов спектров элементов и индивидуальных соединений. Содержание исследуемого вещества при количественном спектральном анализе определяют по относительной или абсолютной интенсивности линий или полос спектра.
С применением лазерного источника излучения и персонального компьютера возможности оптического спектрометра значительно расширяются: такой спектрометр способен обнаружить отдельную молекулу или даже атом любого вещества.
С помощью метода индуцированной лазерной флуоресценции можно регистрировать загрязнение воздуха на расстоянии около двух километров.
В масс-спектроскопии исследуемое вещество вначале превращается в газовую фазу, затем газ конденсируется и ионы ускоряются до заданной кинетической энергии электрическим полем. Масса частиц может быть определена двумя способами: измерением радиуса кривизны траектории иона и измерением времени пролета им заданного расстояния.
Масс-спектрометры отличаются высокой чувствительностью и могут обнаружить, например, три атома изотопа 14C среди 1016 атомов 12С. Такое содержание изотопа 14С соответствует, согласно радиоизотопному методу, возрасту пород в 70 000 лет. Масс-спектрометрия широко применяется для анализа элементов, определения изотопного состава и строения молекулы в таких областях, как производство интегральных схем, металлургия, ядерная, нефтяная, фармацевтическая и атомная промышленность.
Комбинированные приборы – хромато-масс-спектрометры – позволяют обнаружить в питьевой воде галогеноуглеводороды и нитрозамины, а также определить небольшие концентрации одного из самых ядовитых веществ – изомеров диоксина.
Сочетание газового хроматографа с масс-спектрометром – лучший аналитический прибор для работы со сложными смесями, позволяющий решать разнообразные задачи химии, биологии, геохимии, экологии, криминалистики и других наук. Однако вплоть до недавнего времени применение такого прибора ограничивалось лишь легко испаряемыми веществами. С разработкой способов десорбции ионов из твердых образцов путем бомбардировки их ионами, фотонами или нейтральными частицами границы применения масс-спектроскопии значительно расширились. Существенно увеличились определяемые предельные молекулярные массы соединений, исследуемых методом масс-спектроскопии. Например, плазменная десорбция с применением бомбардировки продуктами деления радиоактивного калифорния-252 позволила получить ионы с молекулярной массой 23000 и произвести их масс-спектральный анализ. С помощью полевой и лазерной десорбции можно получить масс-спектральные характеристики фрагментов ДНК. Для идентификации неизвестного вещества методом масс-спектроскопии достаточно всего                   10-10соединения.В плазме крови масс-спектрометр регистрирует активное вещество марихуаны в концентрации 0,1 мг на килограмм массы тела.
Современные электрохимические методы в сочетании с высокочувствительной аппаратурой открывают новые возможности исследования структуры и функций живой клетки: с помощью электродов, площадь которых составляет всего лишь несколько микрометров, можно регистрировать процессы, происходящие внутри клетки.
Для определения строения молекул необходимо знать пространственное расположение атомов. Зная молекулярную структуру, легче понять физические и химические свойства соединения, механизмы химических реакций и идентифицировать новые соединения. Один из наиболее распространенных методов исследования молекулярных структур – рентгено-структурный анализ, основанный на явлении дифракции, – позволяет изучать все те соединения, которые удается получить в кристаллическом состоянии. Современные компьютеры расшифровывают рентгенограмму довольно сложной молекулярной структуры. Рентгеноструктурный анализ способствовал получению феромонов насекомых, применяемых для борьбы с вредителями в сельском хозяйстве, и изучению гормонов роста, необходимых для увеличения производства пищи и биомассы.
Рентгеноструктурный анализ дополняет нейтронография, основанная на дифракции нейтронов. Для нейтронографии необходимы потоки нейтронов, которые получаются в ядерных реакторах, что несколько ограничивает применение данного метода. Отличительная особенность нейтронографии – высокая точность определения расстояния между атомами. Нейтронография успешно применяется при определении структур сверхпроводников, рибосом и других сложных молекулярных образований, а также расположения протонов, участвующих в образовании водородных связей, определяющих строение белков.

 2.7. Важнейшие достижения современного естествознания

Несмотря на отставание экспериментальных исследований от теоретических, в естествознании второй половины XX столетия благодаря развитию экспериментальной базы достигнуты значительные успехи. Невозможно перечислить все достижения во всех отраслях естествознания, но можно однозначно утверждать, что большинство из них воплотилось в современных наукоемких технологиях. Высокотемпературная сверхпроводимость, молекулярные пучки, химические лазеры, достижения ядерной химии, химический синтез ДНК, клонирование и т. п. – вот некоторые очень важные достижения современного естествознания...

Высокотемпературная сверхпроводимость

История сверхпроводимости начинается с 1911г., когда датский ученый X. Камерлинг-Оннес, исследуя электрическое сопротивление охлажденных металлов, обнаружил, что при охлаждении ртути до температуры жидкого гелия, составляющей около 4,2 К, электрическое сопротивление этого металла скачком уменьшается до нуля. А это означает, что металл при данной температуре переходит в сверхпроводящее состояние. По мере синтеза новых материалов сверхпроводников температура перехода их в сверхпроводящее состояние неуклонно повышалась. В 1941 г. для бинарного сплава NвN была установлена температура сверхпроводящего перехода около 15 К, а в 1973 г. – примерно 23 К для другого бинарного сплава – NвGe.
С 1986г. начинается новый этап исследования сверхпроводимости, положивший начало высокотемпературной сверхпроводимости: был синтезирован четырехкомпонентный материал на основе оксидов меди, температура перехода которых составляла приблизительно 37 К. Затем через непродолжительное время температуру перехода удалось поднять до 40, 52, 70, 92 и даже выше 100 К. В результате многочисленных экспериментов было установлено, что четырехкомпонентные оксиды меди, обладающие сложной кристаллической структурой, переходят в сверхпроводящее состояние примерно при 94 К.
В 1992г. синтезирован материал, переходящий в сверхпроводящее состояние уже при 170 К. Такое сверхпроводящее состояние можно реализовать при охлаждении не жидким азотом, а более дешевым охладителем – жидким ксеноном. Этот сверхпроводящий материал состоит из оксида меди, стронция и кальция; структура его относительно проста.
Широкое применение сверхпроводников позволит существенно сократить рассеяние энергии в различного рода электрических цепях, и особенно при электропередаче, потери в которой составляют около 20% при использовании обычных проводников.

Химические лазеры

Экспериментальное исследование смешивания двух газообразных соединений, проведенное более 10 лет назад, позволило установить распределение энергии между молекулами. Например, в результате реакции атомного водорода с молекулярным хлором в газовой форме образуется хлороводород и атомарный хлор, которые излучают инфракрасный свет. Анализ спектра излучения показывает, что существенная часть энергии (около 40%) представляет собой энергию колебательного движения молекулы НСl. За открытие такого рода явлений Джону Поляни (Университет Торонто) присуждена Нобелевская премия по химии. Данные исследования привели к созданию первого химического лазера – лазера, получающего энергию от взрыва смеси водорода с хлором. Химические лазеры отличаются от обычных тем, что превращают в когерентное излучение не энергию электрического источника, а энергию химической реакции. Открыты десятки химических лазеров, в том числе и достаточно мощные для инициирования термоядерного синтеза (йодный лазер) и для военных целей (водородно-фторидный лазер).

Молекулярные пучки

Молекулярный пучок представляет собой струю молекул, образующуюся при испарении вещества в специальной печи и пропускании его через узкое сопло, формирующее пучок в камере, в которой поддерживается сверхвысокий вакуум, исключающий межмолекулярные столкновения. При направлении молекулярного пучка на реагенты – соединения, вступающие в реакцию, – при низком давлении (10-10атм) каждая молекула может участвовать не более чем в одном столкновении, приводящем к реакции. Для осуществления такого сложного эксперимента требуется установка сверхвысокого вакуума, источник интенсивных сверхзвуковых пучков, высокочувствительный масс-спектрометр и электронные определители времени свободного пробега молекул. За проведение этих экспериментов Юан-Чен Ли (Калифорнийский университет Беркли) и Дадли Хермбаху (Гарвардский университет) присуждена Нобелевская премия по химии. Опыты с молекулярными пучками позволили определить, например, ключевые реакции при горении этилена, при котором в реакции этилена с кислородом образуется короткоживущая молекула.

Достижения ядерной химии

Химия играет важную роль в исследовании свойств радиоактивных веществ и в разработке радиоактивных методов анализа, применяемых в различных отраслях естествознания. Одна из первых Нобелевских премий в области ядерных процессов была присуждена химику Отто Гану в 1944 г. за открытие деления ядер. В 1951 г. Нобелевская премия за открытие двух первых в периодической системе трансурановых элементов была присуждена химику Гленну Сиборгу и его коллеге – физику Эдвину Мак-Миллану. Многие современные достижения науки о ядерных процессах получены при тесном взаимодействии химиков, физиков и ученых многих других направлений.
С применением химических методов в течение всего лишь 15 лет синтезированы химические элементы с номерами от 104 до 109 и обнаружены изотопы многих других элементов. Исследования изотопов позволили не только количественно описать многие ядерные процессы, но и определить свойства, определяющие устойчивость атомных ядер.
Одна из интересных задач ядерной химии – обнаружение теоретически предсказанных супертяжелых элементов, т. е. элементов, входящих в предсказанный остров стабильности, расположенный в интервале атомных номеров 114–164.
В последние десятилетия методы ядерной химии нашли широкое применение при исследовании грунта планет Солнечной системы и Луны. Например, для химического анализа грунта Луны применялся трансурановый элемент. Такой метод позволил определить около 90% элементов в трех разных местах лунной поверхности. Анализ изотопного состава образцов лунного грунта, метеоритов и других небесных тел помогает сформировать представление об эволюции Вселенной.
Ядерная химия применяется и в медицине. Например, в США ежегодно назначается около 20 млн. процедур с применением радиоактивных препаратов. Особенно широко распространено лечение щитовидной железы радиоактивным йодом. Практика показывает, что химические соединения радиоактивного технеция обладают терапевтическими свойствами. Позитронный метод, основанный на взаимодействии с исследуемым объектом позитронов, испускаемых короткоживущими изотопами углерода и фтора, а также применение стабильных изотопов в сочетании со спектроскопией ЯМР дают возможность исследования процессов обмена веществ в живых организмах и служат весьма эффективным средством ранней диагностики заболеваний.

Новая ядерная установка

Одна из основных проблем атомной энергетики связана с нахождением таких условий протекания ядерных процессов, при которых можно было бы уменьшить количество ядерных отходов и продлить срок службы атомных реакторов. Учеными разных стран отрабатываются многочисленные способы, решения этой весьма важной проблемы. Среди разных направлений в ее решении уже воплощается в металл новое направление в ядерной энергетике – так называемый электрояд, на который ученые возлагают большие надежды. В Институте теоретической и экспериментальной физики Российской академии наук и в институтах других стран сооружается прообраз пока не известных практике ядерных установок, которые станут безотходными, экологически чистыми и более безопасными источниками энергии, чем многие из существующих. Действующая модель новой ядерной энергетической установки состоит из двух агрегатов – ускорителя элементарных частиц и бланкета – особого типа атомного реактора. Для технического воплощения этой новой идеи предполагается использовать старые атомные реакторы, выработавшие свой ресурс.

Химический синтез ДНК

В полимерных молекулах ДНК природа кодирует информацию, необходимую для создания живого организма. Цепочка из повторяющихся сложноэфирных фосфатных связей между сахарами образует жесткий скелет ДНК, на котором информация записывается с помощью особого алфавита из четырех «букв» генетического кода: аденина, тимина, цитозина и гуанина (А, Т, С, G). Последовательность таких «букв» кодирует информацию. Каждая «буква» содержит несколько атомов азота, ковалентно связанных с фрагментами Сахаров. Двойная спираль ДНК включает водородные связи. Информацию, записанную в молекуле ДНК, можно прочитать, разрывая и вновь создавая относительно слабые водородные связи, совсем не затрагивая более прочные связи «сахар-фосфат» в цепочке-матрице.
Первый химический синтез гена, осуществленный более 20 лет назад, потребовал многолетней напряженной работы. В промышленных лабораториях уже синтезированы гены инсулина и интерферона. Произведен синтез гена для фермента рибонуклеозы, открывающей возможность изменять желаемым образом физические и химические свойства белка. Однако самыми современными методами получаются фрагменты генов длиной в сотни пар оснований, а для дальнейших исследований нужны фрагменты в 100 и более раз длиннее.

Успехи генной инженерии

В высших организмах, в том числе и в организме человека, доля нуклеотидов в цепи ДНК, которые действительно кодируют последовательность аминокислот в белках, составляет только около 5%. Установлено, что в остальных нуклеотидных последовательностях ДНК закодирована информация о форме молекул ДНК. Например, выгибание фуранозного цикла (пятичленного циклического моносахарида), который существует как в ДНК, так и в РНК, приводит к подвижности их скелета.
Современная молекулярная биология позволяет вводить почти любой отрезок ДНК в микроорганизм, чтобы заставить его синтезировать тот белок, который кодирует данная ДНК. А современная органическая химия дает возможность синтезировать последовательности нуклеотидов – фрагменты генов. Такие фрагменты генов можно применять для изменения исходной последовательности оснований в гене, кодирующем нужный белок. Таким способом можно получить модифицированный белок с измененной последовательностью аминокислот, т. е. белок со структурой и функцией, ранее не существовавшими в природе.
Данный метод осуществления специфических мутаций в нормальных белках получил название мутагенеза. Он позволяет получить белки любой структуры. Кроме того, один раз синтезированная молекула гена, кодирующего белок, с помощью микроорганизмов может воспроизвести белок в любых количествах.

Клонирование

Успехи, достигнутые в разных отраслях естественных наук, открыли новые возможности в понимании строения геномов человека и других сложных организмов. Ученые научились соединять ДНК из разных организмов, определять и выделять сегменты ДНК, кодирующие нужный белок, определять нуклеотидные последовательности в больших фрагментах ДНК.
Найти единственно нужный сегмент ДНК, содержащийся всего в одном гене, среди огромного количества генетического материала клетки организма человека столь же трудно, как отыскать иголку в стоге сена. Решение данной проблемы дает применение рекомбинантных ДНК. Фрагменты ДНК клетки встраиваются в миллион быстро делящихся бактерий. Каждая из бактерий, которые выращиваются отдельно, дает целую колонию своих потомков. Применяя методы диагностики, чувствительные к определенной функции гена, находят колонию бактерий, содержащую новый ген. Каждая из быстро растущих колоний бактерий дает миллиарды одинаковых копий каждого гена. Поэтому такой ген можно выделить из бактерий в химически чистом виде. С помощью такого процесса – клонирования – очищены сегменты ДНК более 100 различных генов человека. Еще большее число генов выделено из простейших организмов, таких, как дрожжи.
В 1997 г. появилось сообщение о выращенной методом клонирования овце. Шотландский ученый Ян Вильмут и его коллеги получили из клетки взрослой овцы ее генетическую идентичную копию – известного теперь во всем мире ягненка Долли. Овца Долли, говоря общедоступным языком, не имеет отца, – ей дала начало клетка, содержащая двойной набор генов матери. Как известно, любая клетка взрослого организма, так называемая соматическая клетка, несет полный набор наследственного вещества. Половые же клетки имеют только половину генов. При зачатии такие половинки – отцовская и материнская – соединяются и образуют новый организм. Искусственное выращивание нового животного из соматической клетки – это создание генетически тождественного существа, процесс, который и называется клонированном. Работы по клонированию растений, простейших живых организмов начались еще в 60-е годы последнего столетия. Росли масштабы и сложность таких работ. Однако клонирование млекопитающих из соматической клетки впервые удалось осуществить только в 1997г. Подобные опыты были мечтой нескольких поколений генетиков. Некоторые ученые уверены в реальной возможности повторить данный эксперимент и для человека. Тем не менее остается предметом дискуссий вопрос о нравственных, социальных, биологических и других последствиях такого рода экспериментов.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается сущность метода научного познания Декарта?
2. Как контролируется достоверность научных знаний?
3. Что составляет основу научной теории?
4. Какова роль эксперимента и опыта в постижении естественно-научной истины?
5. Чем обусловливается неточность экспериментальных результатов?
6. Назовите основные положения теории естественнонаучного познания.
7. Охарактеризуйте три стадии естественно-научного познания истины.
8. Что означает относительность естественно-научных знаний?
9. В чем заключается единство эмпирического и теоретического познания?
10. Какова роль ощущений и представлений в процессе познания?
11. Как устанавливается научный факт?
12. Что такое эксперимент? Чем отличается эксперимент от наблюдения?
13. Каковы особенности современных технических средств эксперимента ?
14. Назовите основные формы мышления.
15. На чем основывается научное предвидение?
16. В чем заключается методология естествознания?
17. Дайте краткую характеристику методов и приемов естественно-научных исследований.
18. Что такое научное открытие?
19. Какова роль творческого воображения в научном поиске?
20. Как строится научное доказательство?
21. Назовите основные аргументы, определяющие практическую направленность эксперимента.
22. Из каких этапов состоит эксперимент?
23. Охарактеризуйте роль изобретательной и конструкторской работы на подготовительной стадии эксперимента?
24. Как повышается точность экспериментальных измерений?
25. Какие операции включает обработка экспериментальных результатов?
26. В чем заключается специфика современных экспериментальных и теоретических исследований?
27. Назовите причины оторванности теории от эксперимента.
28. В каких трех направлениях, важных для эксперимента, развивается лазерная техника?
29. Для чего применяется синхротронное излучение?
30. Какие процессы и свойства исследуются с помощью метода ядерного магнитного резонанса?
31. Дайте краткую характеристику возможностей оптической и масс-спектроскопии.
32. Что можно определить методами рентгеноструктурного анализа и нейтронографии?
33. В каких материалах и когда обнаружена высокотемпературная сверхпроводимость?
34. Охарактеризуйте специфику и преимущества химического лазера.
35. Для чего применяются молекулярные пучки?
36. Назовите основные достижения современного естествознания.
.

Ваш комментарий о книге
Обратно в раздел Наука