Структура и развитие научного знания

Современное знание настолько динамично, что П.Друкер выдвинул программу управления посредством знания. Для этого уже имелись основания. Рассмотрим их.

Выделяют эмпирический и теоретический уровни научного знания. При этом имеет место различие в толковании природы, а также содержания этих уровней. В философии указывается на недопустимость смешивания когнитивных оппозиций «чувственное – рациональное» и «эмпирическое – теоретическое». Так, «эмпирическое – теоретическое» есть оппозиция внутри рационального знания, о чем мы свидетельствуем на всем протяжении пособия. Что это означает? То, что сами по себе чувственные данные научным знанием еще не являются. В полной мере это относится также к данным научного наблюдения и эксперимента, пока они не получили определенной теоретической обработке и не представлены в соответствующей языковой форме, как совокупность терминов, определений, понятий, предложений эмпирического языка некоторой теории.

Важно подчеркнуть, что научное знание – это результат деятельности предметного сознания (а не его саморефлексии). В отношении эмпирического познания это достаточно очевидно, ибо оно представляет собой взаимодействие сознания с чувственно воспринимаемыми предметами. Возможности и границы эмпирического познания полностью детерминированы операциональными свойствами такой ступени рационального познания, как рассудок. Деятельность рассудка заключается в применении к материалу чувственно полученных данных таких операций, как абстрагирование, анализ, сравнение, обобщение, индукция, выдвижение гипотез эмпирических законов, дедуктивное выведение из них проверяемых следствий, их обоснование или опровержение.

На первом, исходном, эмпирическом уровне исследователь, говоря словами Эйнштейна, имеет дело со следующими типами предметов:

-это вещи сами по себе (объекты);

-представления (или репрезентации) этих вещей в чувственных данных (чувственные объекты);

-это эмпирические, или абстрактные объекты.

Каждый из этих типов предметов определяет частично содержание других, что связано с активностью и конструктивностью сознания.

Формирование сознанием чувственных объектов происходит на основе сенсорных контактов человека с «вещами в себе» и существенно зависит от целевой (практической или познавательной) установки. Целевая установка выполняет роль своеобразного фильтра и механизма отбора значимой для человека информации. Такими фильтрами выступают:

-познавательная и практическая установка;

-операциональные возможности мышления (рассудка);

-требования языка;

-накопленный запас эмпирического знания;

-теоретический задел исследователя.

Эмпирическое знание – это множество высказываний об абстрактных эмпирических объектах, опосредованно (через сеть идентификаций и интерпретаций) оно является знанием об объективной действительности. Например, когда исследователь смотрит на показания прибора и записывает в журнал наблюдений о том, что сила тока равна 5 ампер, он вовсе не имеет в виду, что черная стрелка остановилась около цифры 5, он интерпретирует показание прибора, указывая, что он обладает необходимым теоретическим знанием, которое создатели заложили в прибор.

Структура эмпирического знания такова: протокольные предложения, факты, эмпирические законы, феноменологические теории.

Протокольные предложения – это первичный уровень эмпирического знания, они представляют собой некий набор высказываний; их содержанием является дискурсная фиксация результатов единичных наблюдений; при сопоставлении таких протоколов фиксируются точное время и место наблюдения, условия внешне и внутренней среды.

Вторым, более высоким уровнем эмпирического знания являются факты, о которых мы уже многое знаем. Научные факты представляют собой индуктивные обобщения протоколов, это – обязательно общие утверждения статистического или универсального характера. Они утверждают отсутствие или наличие некоторых событий, свойств, отношений в исследуемой предметной области и их интенсивность, или количественную определенность. Их символическими представлениями являются графики, диаграммы, таблицы, классификация, математические и компьютерные модели.

Третьим и еще более высоким уровнем эмпирического знания являются эмпирические законы различных видов, укажем на наиболее важные из них:

-функциональные;

-причинные;

-динамические;

-статистические.

Научные законы – это особый вид отношений между событиями, состояниями или свойствами, для которых характерно временное или пространственное постоянство (мерность). Так же, как и факты, законы имеют характер общих (универсальных или статистических) высказываний с квантором общности, который раскрывают, например, такие высказывания: все металлы – электропроводны; все тела при нагревании расширяются; все планеты вращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам.

Научные эмпирические законы (как и факты) являются результатом гипотетических обобщений – индукции через перечисление, элиминативной индукции, индукции как обратной дедукции, подтверждающей индукции. Поскольку индуктивное восхождение от частного к общему, как правило, является неоднозначным выводом и способно дать в заключении только предположительное, вероятностное знание, постольку эмпирическое знание само по себе является в принципе гипотетическим. Формой развития естествознания является гипотеза, заметил Ф.Энгельс.

Наиболее общим уровнем существования эмпирического научного знания являются феноменологические теории, которые представляют собой логически организованное множество эмпирических законов (например, феноменологическая термодинамика, небесная механика И.Кеплера), являясь высшей формой логической организации эмпирического научного знания, феноменологические теории и по характеру своего происхождения, и по возможностям обоснования остаются гипотетическим, предположительным знанием. И это связано с тем, что индукция, т.е. обоснование общего знания с помощью частного (данных наблюдения и эксперимента) не имеют доказательной логической силы, а в лучшем случае – только подтверждающую.

В качестве важной справки укажем, что в психологии феноменология – учение о феноменах, понимаемых Э.Гуссерлем, как возникающие в сознании смыслы предметов и событий. В результате из рассмотрения исключаются весь окружающий мир, все существующие взгляды, научные теории и сам вопрос о существовании того, что является предметом исследования. И лишь этим путем мы как бы возвращаемся к самим вещам в виде сферы сознания, свободной от отношения к реальности, но сохраняющей все богатство своего содержания. Такая редукция являет собой прием обоснования, идеализации.

Следовательно, феноменология, по своей сути является наукой факта – предельно обобщенного и идеализированного.

Физическая теория является феноменологической, если она не имеет уравнений, решение которых приводит к потенциалу взаимодействия, поэтому потенциал вводится в теорию «руками» и содержит подгоночные константы, что и отличает феноменологическую теорию от фундаментальной.

Феноменологическая теория – это всего лишь первая попытка систематизировать наши представления в новой области физического знания и со временем она должна быть заменена фундаментальной теорий. Примерами феноменологических теорий являются – теории сильного и слабого (с участием нейтрино) взаимодействия. Обе теории возникли в результате отклонения наблюдаемых явлений от законов электродинамики Максвелла-Лоренца-Дирака.

Впервые отклонение от законов Максвелла-Лоренца обнаружил Э.Резерфорд, когда он рассеивал альфа-частицы на ядрах золота. Он обнаружил, что на расстоянии порядка 10 в минус 12-й степени см от центра ядра взаимодействие между альфа-частицей и ядром не описывается законом Кулона. Для объяснения наблюдаемых явлений можно было двигаться в двух направления: либо модернизировать уравнение Максвелла-Лоренца с тем, чтобы решение новых уравнений электродинамики приводили к потенциалу взаимодействия, обобщающему; либо предположить, что существует новый тип поля, не электромагнитной природы. Резерфорд пошел по второму пути, предположив, что на малом расстоянии действует новый физический объект – ядерное поле, для решения которого нет уравнений. С этого момента возникла феноменологическая (поскольку нет уравнений) теория ядерных сил, потенциалы взаимодействия которых физики стали писать «от руки». В написанные руками потенциалы входит одна или несколько подгоночных констант, которые могут варьироваться в зависимости от выбранного потенциала.

Хотя эмпирическое знание, как и чувственное, имеет субъективную природу, они являются когнитивными структурами объективной реальности, представляя ее в том или ином аспекте с различной степенью полноты. При этом с точки зрения содержания эмпирическое знание беднее чувственного знания, составляя только его часть, а чувственное знание беднее объективного положения дел. Можно сказать иначе: эмпирический объект суть сторона, аспект чувственного объекта, а тот – аспект, сторона «вещи в себе». Таким образом, эмпирическое знание, будучи непосредственным множеством высказываний об эмпирических объектах, представляет собой абстракцию третьей ступени по отношению к миру вещей в себе.

Для более глубокого понимания полезно проследить все этапы эмпирического познания на примере одного из самых ярких экспериментов из книги Д.Джонсона. (см. Джонсон Д. Десять самых красивых экспериментов в истории науки. – М.: КоЛибри, 2009. – 224с.). Речь идет об эксперименте Майкельсона-Морли.

Хорошо известно, что еще Галилей предположил, как можно проверить, является ли свет мгновенным или же он движется с конечной скоростью. Стоя ночью на вершине холма, экспериментатор должен направить яркий свет и получив сигнал, решить, мгновенная ли скорость света? В 1670-е годы датский астроном Оле Ремер (1644 – 1710) нашел способ произвести соответствующие измерения не в ограниченных условиях Земли, а используя масштаб Солнечной системы: в телескопе хорошо видно, как Юпитер на время закрывает собой Ио, собственный спутник. Он вычислил, что скорость света равна 225 тысячам километров в секунду. Только 50 лет спустя английский астроном Джеймс Брэдли (или Брадлей) открыл явление аберрации света. Он уточнил скорость света – она составила 294,5тыс. км в сек.

Проблема измерения скорости света резко размежевала сторонников корпускулярной и волновой теории света. Из корпускулярной теории следовало, что свет имеет большую скорость в более плотных средах, тогда как волновая теория предписывала большую скорость распространения излучения в менее плотных средах. Был необходим решающий эксперимент, который мог бы однозначно ответить на вопрос о соотношении скоростей света в различных средах. Впервые измерить скорость света в наземных условиях удалось в 1849 году французскому физику-экспериментатору Арману Ипполиту Физо (1819 – 1896), который готовился к карьере врача, но увлекся физикой. Из дома в Париже он направил луч света в зеркало на вершине Монмартра (расстояние 8633 м.), на пути луча установили быстро вращающееся зубчатое колесо таким образом, чтобы подаваемый и отражаемый свет попадали в зазор (из 720 зубцов) в окружности колеса и на окуляре. При неподвижном или медленно вращающемся колесе его периферия виделась в окуляр светлой, поскольку свет успевал проходить до зеркала и обратно через один и тот же прозрачный сектор. Свет казался светящейся точкой наподобие звезды. Ускорение или замедление вращения колеса приводили бы к тому, что круглое пятно света исчезало. По длине пути света и скорости вращения Физо рассчитал, что скорость света должна быть равна 313,4 тыс. км в сек.

Если Физо первым определил скорость света в наземных условиях, то первенство в измерении скорости света в различных средах принадлежит французскому физику Жану Фуко (1819 – 1868). В 1860-е годы Жан Фуко, который пробовал себя в медицине и журналистике, но прославился как выдающийся изобретатель (он изобрел гироскоп, фотометр, обнаружил существование в сплошных металлических стелах индукционных токов – токов Фуко, нагревающих эти тела, и предложил способ их устранения) заменил зубчатку вращающимся зеркалом, установленным под определенным углом. В центре кривизны сферического зеркала устанавливалось плоское вращающееся зеркало с той же осью вращения, что и центр кривизны сферического зеркала. Луч света от источника излучения всегда распространялся вдоль радиуса зеркала, то есть он возвращался после отражения от сферического зеркала к плоскому зеркалу. Однако за время прохождения света туда и обратно, зеркало успевало повернуться на определенный угол, в результате чего свет отражался в определенном направлении. Итак, поскольку зеркало вращается, то падающий и отраженный свет несколько смещаются на его поверхности. Измерив угол (это небольшое смещение), зная угловую скорость вращения зеркала, можно было найти время прохождения света, таким образом ему и удалось рассчитать, что свет движется со скоростью 297,7 тыс. км в сек.

Введя на пути между зеркалами трубу с водой, Фуко определил, что скорость света в воде в 4/3 раза меньше, чем в воздухе.

Итак, теория английского физика Джеймса Максвелла (1831 – 1879) строилась на предположении о существовании эфира, и он полагал, что создал механику эфира. Однако электромагнитные свойства не поддавались наглядной механической интерпретации и были противоречивыми. Накапливались научные факты, ставившие вопрос о сложении скоростей света и движущихся тел, на который невозможно было ответить, не определив, движется эфир, или он неподвижен. Неподвижностью эфира объяснялась и открытая в 1728 году английским астрономом Джемсом Брадлеем (1693 – 1762) аберрация света: координаты всех звезд при наблюдении с Земли в течение года смещаются и описывают эллипсы. Корпускулярная теория объясняла аберрацию векторным сложением скоростей света со скоростью Земли по орбите. Однако блестящие опыты французского астронома, физика и политического деятеля Франсуа Араго (1786 – 1853) показали, что движение Земли не оказывает влияния на преломление света. Это следовало из сравнения преломления света в призме света, идущего от звезд, и света от неподвижного земного источника. Такой результат был несовместим с корпускулярной теорией света. Опыты Физо и Фуко стали еще одним триумфом волновой теории света, которая давала простое объяснение, если принять гипотезу о неподвижном эфире. Но оказалась, что такая гипотеза не могла объяснить экспериментально доказанный факт, что аберрация света не меняется, если телескоп, с помощью которого осуществляется наблюдение, заполнить водой. Действительно, если скорость света в воде составляет три четвертых скорости света в воде, аберрация должна увеличиться в четыре третьих раза. Французский физик Огюстен-Жан Френель (1788 – 1827), впервые проведший опыты с бизеркалами, в рамках волновой теории объяснил этот факт гипотезой о частичном увлечении эфира движущимся телом (объяснил эффект прямолинейного распространения света на основе волновых представлений).

Нисколько не сомневаясь в существовании эфира, к опытам по обнаружению относительного движения Земли и эфира приступил американский физик Альберт Майкельсон (1852 – 1931) и его помощник химик Эдвард Морли (1838 – 1923). Если эфир подвижен, а Земля движется относительно эфира, то должен существовать «эфирный ветер», подобно тому, как возникает ветер при движении тел относительно воздуха. Идея опыта заключается в сравнении времени прохождения света в двух направлениях: в направлении движения Земли и в перпендикулярном направлении.

Почему именно таким образом? Дело в том, что в 1846 году английский физик Джордж Стокс (1819 – 1903) разработал новую теорию аберрации, основанную на аналогиях с гидродинамикой. Он исходил из предположения, что Земля при своем движении полностью увлекает окружающий ее эфир и скорость эфира на поверхности Земли в точности равна ее скорости. Но последующие слои эфира движутся все медленнее, и это обстоятельство вызывает искривление волнового фронта, что и воспринимается как аберрация. Из этой теории следует, что в любых оптических опытах, проведенных на Земле, не может быть обнаружена скорость ее движения. Ранее английский физик Томас Юнг (1773 – 1829) отметил, что явление аберрации света может быть объяснено волновой теорией света, если предположить, что эфир повсюду, в том числе и внутри движущихся тел, остается неподвижным. В этом случае явление аберрации объясняется, как и в корпускулярной теории света. В свою очередь Френель предположил, что эфир частично увлекается движущимися телами, но опытная проверка этой идеи требует очень точного эксперимента.

При этом были известны два гипотетических допущения:

-эфир полностью увлекается движущейся системой;

-движущаяся система проходит через эфир, не захватывая его.

В опыте Фуко по измерению скорости света отклонение пучка на вращающемся зеркале составило менее одного миллиметра. Майкельсон знал, что если путь светового пучка многократно удлинить (у Фуко свет пробегал всего 20 метров), то время его распространения тоже возрастет. Отраженный пучок станет больше, и скорость света можно будет измерить с большей точностью. В 1880 году Майкельсон провел свой эксперимент, создав своеобразный световой спидометр. Он установил два зеркала – одно вращающееся и одно стационарное, разнеся их на 605,4 метра. Для определения положения стационарного зеркала, которое должно было отражать световой луч на длинной его траектории, он взял телескоп и теодолит (геодезический прибор). Для определения скорости вращающегося зеркала он использовал электрический камертон, который тщательно настроил по эталону. Небольшое стальное зеркало крепилось к одному из элементов вилки камертона. Оно должно было отражать вращающееся устройство. Когда частота вибрации совпадала со скоростью вращения, стробоскопическое изображение замирало. Используя паровую воздуходувку для вращения зеркала со скоростью 256 оборотов в секунду и направив через линзу солнечный свет, он определил, что пройдя весь путь, солнечный луч отклонился на 133 миллиметра, то есть почти в 200 раз больше, чем удалось измерить Фуко. Скорость света составила 299, 79 тыс. км в сек.

Напомним, что И.Ньютону свет представлялся в виде «глобулярных тел», с помощью которых он хотел объяснить даже рефракцию. Входя в призму, а затем, вновь распространяясь в воздухе, частицы разного цвета будут по-разному вращаться, как теннисный мяч после закрученной подачи ракеткой. Труднее было разобраться с явлением, получившем название колец И.Ньютона – пятна, состоящего из светлых и темных колец, которые возникают при прижимании друг к другу слегка изогнутой выпуклой линзы и плоскопараллельной пластины. Пытаясь хоть как-то объяснить это явление, он считал, что цвета определяются частицами света, претерпевающими «легкое отражение и трансмиссию».

Только Томас Юнг в 1801 году показал, как наложенные один на другой пучка света интерферируют, образуя одинаковые интерференционные картинки. Юнг посчитал, что этот факт можно объяснить только волновой природой света. Более светлые полосы образуются там, где налагаются два максимума волны, а темные – там, где максимумы не совпадают. После ряда других подтвердивших эти факты экспериментов волновая теория обрела свою жизнь. Дело оставалось за тем, чтобы понять, откуда берутся эти волны? И тогда возникло предположение о наличии светоносного эфира – будучи почти пустотой, таинственный эфир сообщал свету вибрации и способствовал его распространению. Если мы вводим эфир, то двигаясь в космическом пространстве, сможем определиться относительно него.

Но тогда луч света, посланный в направлении движения Земли вокруг Солнца, будет замедляться эфирным ветром. Доказав это, легко измерить скорость света, движущегося параллельно с направлением движения Земли и противоположного ему, а потом сравнить результаты. Однако перед Майкельсоном, когда он пришел к данной мысли, встала новая проблема: чтобы зафиксировать отклонение света, каждый пучок должен был отражаться зеркалом, как и в его первом эксперименте. Любая разница в скорости движения пучка в одну сторону будет компенсироваться при движении пучка в обратную сторону после отражения. Д.Джонсон проводит следующую аналогию, которой придерживался Майкельсон: на плавание по течению реки, а затем против течения уйдет столько же времени, сколько и на плавание против течения реки, а потом по течению. И здесь Майкельсону приходит смелая мысль: а что если два источника света поставить под прямым углом друг к другу – один в направлении орбиты Земли, а второй – строго перпендикулярно? Один пловец будет преодолевать реку вверх и вниз по течению, а другой проплывет то же расстояние сначала к противоположному берегу, а потом назад. Второй пловец всегда будет показывать лучшее время, если только в реке есть течение, а в случае со светом – если существует эфирный ветер.

В эксперименте свет от фонаря должен был направляться частично на покрытое амальгамой зеркало, которое расщепит пучок на два луча света, направленных под прямым углом друг к другу. Пройдя через тщательно обработанные латунные кронштейны длиной 1 м. каждый, они отразятся от зеркал и вместе вернуться назад. Если скорость пучка будет отличаться, то они разойдутся по фазе и максимумы их волн не совпадут. В результате получится эффект интерференции: череда темных и светлых полос. Если повернуть установку на 90 градусов по отношению к эфирной реке, то полосы подвинутся. С учетом скорости движения Земли по отношению к эфиру, а также длины волны, ожидалось, что смещение будет равно одной десятой ширины интерференционной полосы. При таком тонком эксперименте любые колебания могли сместить луч, поэтому прибор был таким точным, что если шагать по тротуару на расстоянии 100м. от лаборатории, то интерференционная картинка совершенно исчезнет. Когда и эти вопросы были решены, Майкельсон приступил к решающей фазе эксперимента, однако сколько-нибудь заметного эффекта не наблюдалось, что можно было рассматривать как подтверждение отсутствия эфира. Однако эфир должен был быть, и многие ученые полагали, что дело в неудачно поставленном эксперименте. Возможно, эфир, двигаясь вокруг Солнца, замедлял свое движение вблизи Земли? Эфирное замедление должно быть гораздо заметнее, если использовать водную, а не воздушную среду?

В 1887 году Майкельсон, теперь уже вместе с Морли повторяет эксперимент, приняв дополнительные меры, чтобы полностью демпфировать все колебания своего интерферометра. Для этого установка была смонтирована на глыбе песчаника со стороной порядка полутора метров и толщиной 35 см., это сооружение плавало на деревянной конструкции в поддоне, залитом ртутью. По углам установили четыре металлических зеркала, которые должны были многократно отражать свет. В итоге получилось, что свет, шедший по направлению движения Земли и перпендикулярно ему, преодолевал расстояние в 10,9 м.

От усилия руки интерферометр начал медленно вращаться, совершая шесть оборотов в минуту. Вокруг него ходил Майкельсон, и, стараясь не касаться установки, периодически смотрел в окуляр на кольца интерференции, сообщая Морли, когда прибор проходил 1/16 круга. Измерения не показывали никакой разницы, смещения интерференционной картинки не наблюдалось. Получалось, что оба пловца возвращались в одно и то же время. Это означало, что эфир движется с Землей (если он существует). Но явление аберрации света указывает на неподвижность эфира. Результаты эксперимента достоверно свидетельствовали о том, что на скорость света не влияет движение Земли, а, следовательно, и о несостоятельности второго гипотетического допущения. Это противоречие явилось одной из причин появления теории относительности, согласующей электродинамику Дж.Максвелла с принципом относительности Галилея.

Вопреки своим ожиданиям экспериментаторы доказали, что ни в пространстве, ни во времени нет никакой фиксированной реперной точки, по отношению к которой можно проводить измерение истинного движения. При движении во Вселенной наши мерные палочки будут то удлиняться, то укорачиваться, а наши часы будут то ускорять, то замедлять свой ход, чтобы существующий эталон оставался неизменным. И этот эталон – не эфир, а скорость света. Так завершает описание этого замечательного эксперимента Д.Джонсон.

Если различия между уровнями внутри эмпирического знания являются скорее количественными, чем качественными, так как отличаются лишь степенью общности представления одного и того же содержания (знание о чувственно-наблюдаемом), то отличие теоретического научного знания от эмпирического является качественным, т.е. предполагающим их соотнесенность к существенно разным по происхождению и по свойствам объектам (онтологиям).