Загальнонаукові методи теоретичного пізнання

Размещено на http://www.allbest.ru/

Загальнонаукові методи теоретичного пізнання

Процес пізнання завжди починається з розгляду конкретних предметів і явищ, їхніх зовнішніх ознак, властивостей, зв'язків, які людина сприймає за допомогою органів чуття. Тільки в результаті вивчення чуттєво-конкретного людина приходить до якихось узагальнених уявлень, понять, тих чи інших теоретичних положень, тобто до наукових абстракцій. Формування цих абстракцій пов'язане зі складним процесом мислення, що має здатність до абстрагування.

У процесі абстрагування відбувається перехід (сходження) від чуттєво сприйнятих конкретних об'єктів (з усіма їх властивостями, сторонами й т.д.) до абстрактних уявлень про них, відтворених у мисленні. Абстрагування, таким чином, полягає в уявному нехтуванні якимись менш істотними властивостями, ознаками, зв'язками досліджуваного об'єкта з одночасним виділенням, формуванням однієї чи декількох істотних ознак, властивостей, зв'язків цього об'єкта. Результат, одержаний у процесі абстрагування, називають абстракцією (або використовують термін «абстрактне» - на відміну від «конкретного»).

У науковому пізнанні широко застосовуються, наприклад, абстракції ототожнення та ізолюючі абстракції. Абстракція ототожнення являє собою поняття, що є результатом ототожнення деякої множини предметів (при цьому відволікаються від цілого ряду індивідуальних властивостей, ознак даних предметів) та об'єднання їх в особливу групу. Прикладом може бути групування всієї різноманітності рослин і тварин, які існують на нашій планеті, в особливі види, роди, родини й т.д. Ізолююча абстракція є результатом виділення певних властивостей, ознак, взаємозв'язків, нерозривно пов'язаних із предметами матеріального світу, у самостійні сутності («стійкість», «розчинність», «електропровідність» і т. п.).

Перехід від чуттєво-конкретного до абстрактного завжди пов'язаний із певним спрощенням дійсності. Разом з тим, сходячи від чуттєво-конкретного до абстрактного, теоретичного, дослідник має можливість глибше зрозуміти досліджуваний об'єкт, усвідомити його сутність.

Звичайно, в історії науки мали місце й помилкові, хибні абстракції, які не відображали, по суті, нічого в об'єктивному світі (ефір, теплород, життєва сила, електрична рідина й т. п.). Використання подібних «мертвих абстракцій» створювало лише видимість пояснення явищ, що спостерігалися. Насправді ніякого поглибленого пізнання в цьому випадку не відбувалося.

Розвиток природознавства спричинив до відкриття нових справжніх ознак, властивостей, зв'язків об'єктів та явищ матеріального світу. Необхідною умовою прогресу пізнання стало створення по-справжньому наукових, а не «примарних» абстракцій, що дозволило глибше пізнати сутність досліджуваних явищ. Процес переходу від чуттєво-емпіричних, наочних уявлень про досліджувані явища до формування певних абстрактних, теоретичних конструкцій, що відображають сутність цих явищ, лежить в основі розвитку будь-якої науки.

Це добре простежується на прикладі розвитку вчення про електрику, зокрема прогресу в пізнанні електромагнітних явищ. Друга половина 19 століття почалася без особливих успіхів у теоретичному осмисленні сфери різноманітних явищ, пов'язаних з електрикою. Ф. Енгельс, відзначаючи «всюдисушість електрики», що виявляється у всіляких природних процесах, вказував у той же час на те, що «вона є саме тією формою руху, щодо сутності якої ще дуже багато не зрозуміло». «У вченні про електрику, - писав він, - ми маємо перед собою… якесь невпевнене блукання в темряві, не пов'язані один з одним дослідження й багато дослідів окремих учених, які атакують невідому область урозбрід, як орда кочових наїзників».

Знадобився величезний теоретичний талант Максвелла, який, спираючись на фарадеївські чуттєво-наочні, емпіричні уявлення про електромагнітні явища, створив свою теорію електромагнітного поля. Максвелл надав ідеям Фарадея теоретичної довершеності, увів точне поняття «електромагнітного поля», сформулював математичні закони цього поля.

Оскільки конкретне (тобто реальні об'єкти, процеси матеріального світу) є сукупністю безлічі властивостей, ознак, внутрішніх і зовнішніх зв'язків і відносин, його неможливо пізнати у всій його різноманітності, залишаючись на етапі чуттєвого пізнання, обмежуючись ним. Тому й виникає потреба в теоретичному осмисленні конкретного, тобто в сходженні від чуттєво-конкретного до абстрактного.

Але формування наукових абстракцій, загальних теоретичних положень не є кінцевою метою пізнання, а являє собою тільки засіб для більш глибокого, різнобічного пізнання конкретного. Тому необхідний подальший рух (сходження) пізнання від досягнутого абстрактного знову ж таки до конкретного. Одержане на цьому етапі знання про конкретне буде якісно іншим у порівнянні з тим, із чого починався процес чуттєвого пізнання. Іншими словами, конкретне на початку процесу пізнання (чуттєво-конкретне, що є його вихідним моментом) і конкретне, що осягається наприкінці пізнавального процесу (його називають логічно-конкретним, підкреслюючи роль абстрактного мислення в його усвідомленні), докорінно відрізнятимуться одне від одного.

Логічно-конкретне - це конкретне у всьому багатстві його змісту, теоретично відтворене в мисленні дослідника. Воно містить у собі вже не тільки чуттєво сприйняте, але і щось приховане, недоступне для чуттєвого сприйняття, щось істотне, закономірне, зрозуміле лише завдяки теоретичному мисленню, певним абстракціям.

Наприклад, розуміння електромагнітних явищ (конкретного) після появи знаменитих рівнянь Максвелла істотно розширилося й збагатилося. З його математичних абстракцій випливали важливі висновки, що стосуються конкретних проявів електромагнітного поля. Ці висновки свідчили, що будь-яка зміна з часом електричного поля зумовлює появу поля магнітного і, навпаки; що реально існують електромагнітні хвилі (згодом експериментально відкриті Герцом); що швидкість поширення їх у пустоті така ж, як і швидкість поширення в ній світла (звідси випливало, що світло має електромагнітну природу); що електромагнітна хвиля переносить певну енергію; що при зіткненні з перешкодою ця хвиля повинна чинити на неї тиск (який уперше виміряв російський фізик П.М. Лебедев, встановивши, що він збігається з теоретичним значенням, яке встановив Максвелл) і т.д.

Нові наукові дані істотно похитнули колишню механістичну картину світу, фундамент якої заклав ще І. Ньютон. Уявлення про навколишній світ змінилися. Вони стали більш різноманітними й значно багатшими за змістом.

Розглянуте вище сходження від абстрактного до конкретного характеризує загальну спрямованість науково-теоретичного пізнання, що має на меті перехід від менш змістовного до більш змістовного знання. Інакше кажучи, дослідник одержує в підсумку цілісну картину досліджуваного об'єкта у всьому багатстві його змісту.

Ідеалізація. Уявний експеримент

Розумова діяльність дослідника в процесі наукового пізнання передбачає особливий вид абстрагування, який називають ідеалізацією. Ідеалізація являє собою уявне внесення певних змін у досліджуваний об'єкт відповідно до мети дослідження.

У результаті таких змін можуть бути, наприклад, вилучені з розгляду якісь властивості, ознаки, зв'язки об'єктів. Так, під широко розповсюдженою в механіці ідеалізацією, що має назву матеріальної точки, слід розуміти тіло, розмірами якого можна знехтувати. Такий абстрактний об'єкт зручний при описуванні його руху. Причому подібна абстракція є прийнятною в процесі дослідження будь-яких реальних об'єктів - від молекул та атомів при розгляді багатьох задач статистичної фізики і до планет Сонячної системи при вивченні, наприклад, їх руху навколо Сонця.

Зміни об'єкта в процесі ідеалізації можуть відбуватися також шляхом надання йому якихось особливих властивостей, яких у реальній дійсності не існує. Прикладом такого виду ідеалізації у фізиці може бути абстракція, відома під назвою абсолютно чорного тіла. Таке тіло наділяється неіснуючою у природі властивістю поглинати абсолютно всю променисту енергію, що надходить на його поверхню, нічого не відбиваючи. Спектр випромінювання абсолютно чорного тіла є ідеальним випадком, тому що на нього ніяк не впливає природа речовини випромінювача або стан його поверхні. А якщо можна теоретично описати спектральний розподіл густини енергії випромінювання для ідеального випадку, то можна дещо довідатися і про процес випромінювання в цілому.

Зазначена ідеалізація відіграла важливу роль у прогресі наукового пізнання в галузі фізики, тому що допомогла виявити помилковість деяких уявлень, що існували в другій половині 19 століття. Ці уявлення у випадку дослідження абсолютно чорного тіла призводили до парадоксальної ситуації.

Фізики почали працювати над проблемою випромінювання абсолютно чорного тіла наприкінці минулого століття. Почавши з припущень, що грунтувалися на законах класичної термодинаміки та оптики, вони спробували вивести формулу енергетичного спектра випромінювання. Ці спроби зазнали невдачі, тому що з ними був пов'язаний висновок, відомий під назвою «ультрафіолетової катастрофи». Із теорії випливало, що абсолютно чорне тіло, нагріте до високих температур, повинно випромінювати нескінченно велику кількість енергії на високих частотах, тобто в ультрафіолетовій частині спектра й за її межами… У випадку абсолютно чорного тіла теорія пророкувала катастрофу, однак прогноз не справдився.

Проблемою розрахунку кількості енергії, яку випромінює ідеальний випромінювач - абсолютно чорне тіло, - серйозно зайнявся Макс Планк. Він працював над цією проблемою довгих чотири роки. Нарешті, у 1900 році йому вдалося знайти вирішення у вигляді формули, що правильно описувала спектральний розподіл енергії випромінювання абсолютно чорного тіла. Так робота з ідеалізованим об'єктом допомогла закласти основи квантової теорії, яка ознаменувала радикальний переворот у науці.

Доцільність використання ідеалізації визначають такі обставини.

По-перше, ідеалізація доцільна тоді, коли реальні об'єкти, які слід дослідити, досить складні за наявних засобів теоретичного (зокрема математичного) аналізу, а стосовно ідеалізованого випадку можна, використавши ці засоби, побудувати й розвинути теорію, яка за певних умов ефективно описуватиме властивості й поведінку цих реальних об'єктів. Останнє, по суті, і засвідчує доцільність ідеалізації і відмежовує її від безплідної фантазії.

По-друге, ідеалізацію доцільно використовувати в тих випадках, коли необхідно вилучити деякі властивості, зв'язки досліджуваного об'єкта, без яких він існувати не може, але які затемнюють сутність процесів, що протікають у ньому. Складний об'єкт постає немовби в «очищеному» вигляді» що полегшує його вивчення.

На цю гносеологічну можливість ідеалізації звернув увагу Ф. Енгельс, який підтвердив її, навівши як приклад дослідження Саді Карно: «Він вивчив парову машину, проаналізував її роботу, виявив, що основний процес не виступає в ній у чистому вигляді, а затемнений усякого роду побічними процесами, усунув ці неістотні для головного процесу побічні обставини й сконструював ідеальну парову машину (або газову машину), яку, однак, так само не можна збудувати, як не можна, наприклад, провести геометричну лінію чи геометричну площину, але яка надає, по-своєму, такі ж послуги, як ці математичні абстракції. Вона подає процес, який розглядається, у чистому, незалежному, неспотвореному вигляді».

По-третє, застосування ідеалізації є доцільним тоді, коли ознаки, властивості, зв'язки досліджуваного об'єкта, які вилучаються з розгляду, не впливають у межах даного дослідження на його сутність. Вище вже згадувалося, наприклад, про те, що абстракція матеріальної точки дозволяє в деяких випадках уявляти найрізноманітніші об'єкти від молекул або атомів до гігантських космічних об'єктів. При цьому правильний вибір допустимості подібної ідеалізації відіграє дуже велику роль. Якщо в ряді випадків, можливо, і доцільно розглядати атоми у вигляді матеріальних точок, то така ідеалізація стає неприпустимою, коли йдеться про вивчення структури атома. Точно так само можна вважати матеріальною точкою нашу планету, розглядаючи її обертання навколо Сонця, але аж ніяк не у тому випадку, коли йдеться про її власне добове обертання.

Слід зазначити, що якщо існують різні теоретичні підходи до вивчення якогось явища, то характер ідеалізації може бути дуже різним. Як приклад можна розглянути три різних поняття «ідеального газу», що сформувалися під впливом різних теоретико - фізичних уявлень Максвелла-Больцмана, Бозе-Ейнштейна та Фермі-Дірака. Усі три варіанти ідеалізації, одержані при цьому, виявилися плідними в процесі вивчення газових станів різної природи. Ідеальний газ Максвелла-Больцмана став основою для досліджень звичайних молекулярних розріджених газів, що знаходяться при досить високих температурах; ідеальний газ Бозе-Ейнштейна знайшов застосування при вивченні фотонного газу, а ідеальний газ Фермі-Дірака допоміг розв'язати ряд проблем електронного газу.

Як різновид абстрагування, ідеалізація припускає елемент чуттєвої наочності (звичайний процес абстрагування приводить до утворення уявних абстракцій, які, практично, позбавлені будь-якої наочності). Ця особливість ідеалізації дуже важлива для реалізації такого специфічного методу теоретичного пізнання, яким є уявний експеримент (його ще називають мислимим, суб'єктивним, ідеалізованим).

Уявний експеримент припускає оперування ідеалізованим об'єктом (що заміщує в абстракції об'єкт реальний); оперування полягає в уявному створенні того чи іншого стану, різних ситуацій, що дозволяє виявити якісь важливі особливості досліджуваного об'єкта. У цьому виявляється певна подібність між уявним (ідеалізованим) і реальним експериментами. Більше того, будь-який реальний експеримент, перш ніж його буде здійснено на практиці, дослідник спочатку «прокручує» в уяві - у процесі обмірковування, планування. У цьому випадку уявний експеримент виступає в ролі попереднього ідеального плану реального експерименту.

Разом з тим, уявний експеримент відіграє і певну самостійну роль у науці. При цьому, зберігаючи подібність з реальним експериментом, він у той же час істотно відрізняється від нього. Назвемо ці відмінності.

Реальний експеримент - це метод, пов'язаний із практичним, предметно-маніпулятивним, «знаряддєвим» пізнанням навколишнього світу. В уявному ж експерименті дослідник оперує не матеріальними об'єктами, а їхніми ідеалізованими образами; саме ж оперування відбувається в його свідомості, тобто чисто уявно.

Можливість проведення реального експерименту залежить від наявності відповідного матеріально-технічного (а іноді й фінансового) забезпечення. Уявний експеримент такого забезпечення не потребує.

У реальному експерименті доводиться враховувати реальні фізичні та інші обмеження щодо його проведення, неможливість у ряді випадків усунути негативний вплив зовнішніх чинників у ході проведення експерименту, спотворення одержаних результатів через зазначені причини. У цьому плані уявний експеримент має явні переваги над експериментом реальним. В уявному експерименті можна абстрагуватися від дії небажаних чинників, провівши його в ідеалізованому, «чистому» виді.

У науковому пізнанні бувають випадки, коли, досліджуючи деякі явища, ситуації, провести реальні експерименти взагалі неможливо. Цей пробіл у пізнанні може заповнити тільки уявний експеримент.

Наукова діяльність Галілея, Ньютона, Максвелла, Карно, Ейнштейна та інших учених, що заклали основи сучасного природознавства, свідчить про істотну роль уявного експерименту у формуванні теоретичних ідей. Історія розвитку фізики багата на факти використання уявних експериментів. Прикладом можуть бути уявні експерименти Галілея, які допомогли відкрити закон інерції.

Реальні експерименти, в яких неможливо було усунути фактор тертя, здавалося б, підтверджували концепцію Арістотеля, що панувала протягом тисячоліть. Вона стверджувала, що рухоме тіло зупиняється, якщо сила, що штовхає його, припиняє свою дію. Таке твердження ґрунтувалося на простій констатації фактів, які можна спостерігати в реальних експериментах (куля або візок, одержавши силовий вплив, котяться вже без нього по горизонтальній поверхні, а потім неминуче сповільнюють свій рух і, зрештою, зупиняються). У цих експериментах не вдавалося спостерігати рівномірний-безперервний рух за інерцією.

Галілей, проробивши в уяві зазначені експерименти з поетапною ідеалізацією поверхонь тертя й доведенням до повного вилучення тертя із взаємодії, спростував арістотелівську точку зору й зробив єдино правильний висновок. Цей висновок можна було отримати тільки за допомогою уявного експерименту. Таким чином було відкрито фундаментальний закон механіки руху.»… Закон інерції, - писали А. Ейнштейн і Л. Інфельд, - не можна вивести безпосередньо з експерименту, його можна вивести умоглядно - за допомогою мислення, що спирається на спостереження. Цей експеримент ніколи не можна виконати в дійсності, хоч він і приводить до глибокого розуміння дійсних експериментів».

Результати уявних експериментів іноді можуть поставити перед наукою серйозні проблеми, розв'язати які непросто. Як цікавий приклад можна навести уявний експеримент Максвелла, що викликав сенсацію на початку 70-х років минулого століття. Цей уявний експеримент, описаний у його роботі «Теорія теплоти», ставив під сумнів друге начало термодинаміки. У своєму уявному експерименті Максвелл припустив існування особливої істоти - «демона»,»… можливості якого настільки надзвичайні, що він може не тільки стежити за кожною молекулою на її шляху, а й робити те, що в даний час для нас є неможливим». «Припустимо, - писав Максвелл, - що маємо резервуар, розділений на дві частини А і В перегородкою з невеликим отвором, і що істота, яка може бачити окремі молекули, відкриває і закриває цей отвір так, щоб дати можливість тільки більш швидким молекулам перейти з А в В і тільки більш повільним перейти з В у А. Ця істота, таким чином, без виконання роботи підвищить температуру в В і знизить в А всупереч другому началу термодинаміки».

Бій із «демоном» Максвелла тривав протягом тривалого часу. Тільки у 20 столітті американські фізики Сцилард, Дімерс і Гейбор довели, що друге начало термодинаміки є вірним і що ніякого «вічного двигуна», навіть за допомогою «демона», побудувати не можна. Вони спроектували й розрахували машину-демона й переконалися, що така машина працювати буде, але потребує живлення за рахунок зовнішньої енергії. Причому витрати енергії на роботу такої машини виявляться більшими, ніж вихід енергії в результаті її діяльності. Пошук відповіді на питання, поставлене уявним експериментом Максвелла, був, безсумнівно, корисним і сприяв нагромадженню наукових знань.

Уявний експеримент може мати велику евристичну цінність, допомагаючи інтерпретувати нове знання, отримане виключно математичним шляхом. Це підтверджується багатьма прикладами з історії науки. Одним з таких прикладів б уявний експеримент В. Гейзенберга, що мав на меті пояснити співвідношення невизначеності. «У цьому уявному експерименті співвідношення невизначеності було встановлено завдяки абстрагуванню, що розділило цілісну структуру електрона на дві протилежності - хвилю й корпускулу. Тим самим збіг результату уявного експерименту з результатом, досягнутим математичним шляхом, став доказом об'єктивно існуючої суперечності, властивої електрону як цілісному матеріальному утворенню, і дав можливість зрозуміти це класично».

Однак незнання матеріалістичної діалектики створило для деяких вчених труднощі щодо правильного розуміння цього висновку. У результаті виникли численні дискусії з даного питання, особливо бурхливо вони розгорнулися на Сольвеєвських конгресах у 1927 і 1930 pp. У цих дискусіях, за свідченням їх учасників, величезну роль відіграли ідеалізовані уявні експерименти. У них, писав Гейзенберг, «подібні парадокси (протиріччя між хвильовими й корпускулярними уявленнями.) виявлялися особливо різко, і ми намагалися розгадати, яку відповідь на такі експерименти, можливо, дала 6 природа». Ці уявні експерименти полегшували розуміння нових наукових положень, допомагали обґрунтувати причини відмови від старих уявлень.

Метод ідеалізації, який в цілому є дуже плідним, має в той же час певні обмеження. Розвиток наукового пізнання змушує іноді відмовлятися від прийнятих раніше ідеалізованих уявлень. Так відбулося, наприклад, коли Ейнштейн створив спеціальну теорію відносності, з якої були виключені ньютонівські ідеалізації «абсолютного простору» та «абсолютного часу». Крім того, будь-яка ідеалізація обмежена конкретною областю явищ і придатна для вирішення тільки обмеженого кола проблем. Це добре ілюструє приклад описаної вище ідеалізації «абсолютно чорного тіла».

Сама по собі ідеалізація, хоч і може бути плідною, і навіть спроможна спонукати до наукового відкриття, не є ще достатньою підставою для того, щоб зробити це відкриття. У зазначеному випадку визначальну роль відіграють теоретичні установки, якими керується дослідник. Розглянута вище ідеалізація парової машини, вдало здійснена Саді Карно, привела його до відкриття механічного еквівалента теплоти, якого, однак,»… він не міг відкрити й побачити лише тому, - відзначав Ф. Енгельс, - що вірив у теплород. Цей приклад є також доказом шкідливості помилкових теорій».

Основне позитивне значення ідеалізації як методу наукового пізнання полягає в тому, що одержані завдяки ідеалізації теоретичні припущення дають можливість ефективно досліджувати реальні об'єкти та явища. Спрощення як результат ідеалізації полегшує створення теорії, допомагає розкрити закони досліджуваної області явищ матеріального світу. Якщо теорія в цілому правильно описує реальні явища, то ідеалізація, що лежить в її основі, є правочинною.

Формалізація. Мова науки

Під формалізацією слід розуміти особливий підхід у науковому пізнанні, який полягає у використанні спеціальної символіки. Це дозволяє абстрагуватися від вивчення реальних об'єктів, змісту теоретичних положень, що їх описують, й оперувати замість цього певною множиною символів (знаків).

Яскравим прикладом формалізації є поширені в науці математичні описи різних об'єктів, явищ, що ґрунтуються на відповідних змістових теоріях. При цьому використання математичної символіки не тільки допомагає закріпити вже існуючі знання про досліджувані об'єкти, явища, але й виступає своєрідним інструментом у процесі подальшого їх пізнання.

Для побудови будь-якої формальної системи необхідним є:

а) завдання алфавіту, тобто певного набору знаків;

б) завдання правил, відповідно до яких з вихідних знаків цього алфавіту можна отримати «слова», «формули»;

в) завдання правил, які дають можливість переходити від одних слів, формул даної

системи до інших слів і формул (так зване правило висновку).

У результаті виникає формальна знакова система у вигляді своєрідної штучної мови. Важливою перевагою цієї системи є можливість проведення в її рамках дослідження будь-якого об'єкта виключно формальним шляхом (оперування знаками) без прямої участі самого об'єкта.

Ще одна перевага формалізації полягає в стислості й чіткості запису наукової інформації, що створює великі можливості для оперування нею. Навряд чи вдалося б успішно скористатися, наприклад, теоретичними висновками Максвелла, якби вони не були компактно виражені у вигляді математичних рівнянь, а описувалися б за допомогою звичайної, повсякденної мови.

Зрозуміло, формалізовані штучні мови щодо гнучкості й багатства поступаються перед звичайною мовою. Зате вони позбавлені багатозначності термінів (полісемії), властивої живим мовам. Штучні мови мають чітко побудований синтаксис (суворі правила зв'язку між знаками незалежно від їхнього змісту) і однозначну семантику (семантичні правила формалізованої мови цілком однозначно визначають співвіднесеність знакової системи з певною предметною сферою). Таким чином, формалізована мова має властивість моносемії.

абстрактний мислення фізика науковий

Размещено на Allbest.ru