Структура теоретического исследования

Перейдем теперь к анализу теоретического уровня познания. Здесь тоже можно выделить (с определенной долей условности) два подуровня. Первый из них образует частные теоретические модели и законы, которые выступают в качестве теорий, относящихся к достаточно ограниченной области явлений. Второй – составляют развитые научные теории, включающие частные теоретическиезаконы в качестве следствий, выводимых из фундаментальных законов теории.

Примерами знаний первого подуровня могут служить теоретические модели и законы, характеризующие отдельные виды механического движения; модель и закон колебания маятника (законы Гюйгенса), движения планет во­круг Солнца (законы Кеплера), свободного падения тел (законы Галилея) и др. Они были получены до того, как была построена ньютоновская механика. Сама же эта теория, обобщившая все предшествующие ей теоретические знания об отдельных аспектах механического движения, выступает типичным примером развитых теорий, которые относятся ко второму подуровню теоретических знаний.

Строение развитой естественно-научной теории можно изобразить как сложную, иерархически организованную систему теоретических схем и законов, где теоретические схемы образуют своеобразный внутренний скелет тео­рии.

Функционирование теорий предполагает их применение к объяснению и предсказанию опытных фактов. Чтобы применить к опыту фундаментальные законы развитой теории, из них нужно получить следствия, сопоставимые с результатами опыта. Вывод таких следствий характеризуется как развертывание теории.

Каким же образом осуществляется такое развертывание? Ответ на этот вопрос во многом зависит от того, как понимается строение теории, насколько глубоко выявлена ее содержательная структура.

Долгое время в логико-методологической литературе доминировало представление о теории как гипотетико-дедуктивной системе. Структура теории рассматривалась по аналогии со структурой формализованной математиче­ской теории и изображалась как иерархическая система высказываний, где из базисных утверждений верхних ярусов строго логически выводятся высказыва­ния нижних ярусов, вплоть до высказываний, непосредственно сравнимых с опытными фактами. Правда, затем эта версия была смягчена и несколько мо­дифицирована, поскольку выяснилось, что в процессе вывода приходится уточ­нять некоторые положения теории, вводить в нее дополнительные допущения.

Но в таком случае возникают вполне уместные вопросы: когда и как такие допущения вводятся, в чем их сущность, имеются ли какие-либо, пусть скрытые, нормативы, которые регулируют этот процесс, а если имеются, в чем они заключаются?

При рассмотрении теории только с формальной стороны, как системы высказываний, ответить на эти вопросы невозможно. Но если обратиться к анализу содержательной структуры теории, если учесть, что теоретические выска­зывания вводятся относительно абстрактных объектов, связи и отношения ко­торых составляют смысл теоретических высказываний, то тогда обнаружива­ются новые особенности строения и функционирования теории.

Иерархической структуре высказываний соответствует иерархия взаимосвязанных абстрактных объектов. Связи же этих объектов образуют теоретиче­ские схемы различного уровня. И тогда развертывание теории предстает не только как оперирование высказываниями, но и как мысленные эксперименты с абстрактными объектами теоретических схем.

Теоретические схемы играют важную роль в развертывании теории. Вывод из фундаментальных уравнений теории их следствий (частных теоретиче­ских законов) осуществляется не только за счет формальных математических и логических операций над высказываниями, но и за счет содержательных прие­мов мысленных экспериментов с абстрактными объектами теоретических схем, позволяющих редуцировать фундаментальную теоретическую схему к частным.

Итак, эмпирический и теоретический уровни научного знания имеют сложную структуру. Взаимодействие знаний каждого из этих уровней, их объединение в относительно самостоятельные блоки, наличие прямых и обратных связей между ними требуют рассматривать их как целостную, самоорганизующуюся систему. В рамках каждой научной дисциплины многообразие знаний организуется в единое системное целое во многом благодаря основаниям, на которые они опираются. Основания выступают системообразующим блоком, который определяет стратегию научного поиска, систематизацию полученных знаний и обеспечивает их включение в культуру соответствующей историче­ской эпохи[55].

В классической физике ход исследования шел таким путем, что вначале создавалась теоретическая модель (она вводилась как гипотетическая конст­рукция, а затем специально доказывалось, что в ней содержатся существенные черты обобщаемых экспериментальных ситуаций) и лишь после этого выводились математические выражения для законов теории. Последние возникали как результат выявления связей абстрактных объектов теоретической модели и вы­ражения их в языке математики. Вводимые таким способом уравнения сразу же получали адекватную интерпретацию и связь с опытом.

При таком построении не было трудностей в эмпирическом обосновании уравнений. Но в современной физике дело обстоит иначе. Физика, применяя метод математической гипотезы, стала создавать уравнения до построения пра­вил соответствия, которые связывают величины, фигурирующие в уравнениях, с объектами опыта, и тогда возникли определенные затруднения, связанные с поиском интерпретации уравнений.

Чтобы рассмотреть эту сторону вопроса подробно, разберем уже ставший хрестоматийным пример: обоснование релятивистского уравнения Дирака. Из­вестно, что, построив в полном соответствии с канонами метода математиче­ской гипотезы систему четырех линейных дифференциальных уравнений пер­вого порядка для четырех независимых волновых функций, Дирак получил в качестве одного из основных математических следствий такие решения, которые соответствовали отрицательным значениям массы покоя (полной энергии) для свободной частицы.

Обычно считают, что сравнение с опытом этих следствий сразу привело к предсказанию позитрона. Однако в действительности дело обстояло намного сложнее. Первоначальное сопоставление следствий уравнений Дирака с опытом привело к таким предсказаниям, после которых уравнение казалось невоз­можно спасти.

Пример с историей квантово-релятивистского уравнения Дирака весьма поучителен в методологическом отношении. Этот пример показывает, что первичная теоретическая модель, которая вводится вместе с математической экст­раполяцией, может оказаться неверной и поставить под угрозу даже продук­тивные уравнения. Отсюда возникает важная особенность обоснования матема­тической гипотезы. На первом этапе такого обоснования проверка уравнений данными опыта еще не позволяет заключить, пригодны или непригодны сами уравнения для описания новой области явлений. Даже тогда, когда выводы из уравнений не согласуются с опытом, не следует, что их нужно отбросить как неудачную гипотезу. Рассогласование с опытом служит лишь сигналом, что в едином образовании "уравнения плюс интерпретация" какая-то из частей не адекватна новой области явлений. Исследователь заранее не знает, какая имен­но часть (можно говорить о продуктивности уравнений лишь ретроспективно, зная их роль в истории физики, как, например, в случае с уравнением Дирака).

Однако поскольку первоначальная интерпретация уравнений носит гипотетический характер, весьма вероятно, что именно она ответственна за проти­воречия между следствиями из уравнений и данными эксперимента. Поэтому, если обнаружено рассогласование уравнений с опытом, начинается второй этап эмпирического обоснования математической гипотезы. На этом этапе происхо­дит изменение первоначальной интерпретации путем перестройки исходной гипотетической модели, в которой ранее выполнялись уравнения, в новую мо­дель. Чтобы проиллюстрировать характерные особенности этого процесса, вер­немся к примеру с уравнением Дирака.

Проведенная Дираком реинтерпретация своего уравнения устранила рассогласование последнего с опытом. Уравнение не только было приведено в со­ответствие с экспериментами, но и позволило предсказать совершенно неожиданные явления: существование позитронов и эффект аннигиляции и рождения пар.

Новая теоретическая схема, обеспечившая адекватную связь квантово-релятивистского уравнения для электрона с опытом при ее соотнесении с физической картиной мира, вводила принципиально новые представления об элек­тромагнитных взаимодействиях. В физической картине мира появлялись новые представления об электронно-позитронном вакууме как особом состоянии фи­зического мира, активно проявляющегося во взаимодействиях электронов, по­зитронов и фотонов.

Разобранный пример, на наш взгляд, позволяет отметить ряд особенностей экспериментального обоснования математической гипотезы, связанных с построением новой интерпретации уравнений. В общем плане, конечно, из­вестно, что, когда математическая гипотеза не подтверждается опытом, иссле­дователь ищет новую интерпретацию. Но мы хотели бы обратить внимание на следующие механизмы такого поиска.

Во-первых, важно, что исходным материалом для создания новой интерпретации служат абстрактные объекты первоначально введенной модели. Когда Дирак строил новую модель, то он применял уже имевшиеся абстрактные объ­екты "частица", "область положительных энергий" и "область отрицательных энергий", подвергнув изменению только последний объект (у которого был элиминирован признак "иметь свободные энергетические уровни").

Исследователь не просто создает новую интерпретацию на "'голом месте", а использует в качестве строительного материала абстрактные объекты, введенные ранее, в ходе самого построения математической гипотезы.

Во-вторых, важным фактором, целенаправляющим создание новой интерпретации, является требование, чтобы теоретическая модель была обоснова­на как идеализированная схема взаимодействий, проявляющихся в реальных экспериментальных ситуациях. Именно это заставляет исследователя пере­страивать абстрактные объекты, отыскивая корреляты их признаков в реальных взаимодействиях, наблюдаемых в опыте. Уже в ходе первичной опытной про­верки математических гипотез выясняется, какие из абстрактных объектов не удовлетворяют этому требованию. Это выявляет неконструктивные элементы в первоначальной интерпретации и указывает пути ее изменения. Так, отображе­ние на экспериментальные ситуации в атомной области первоначальной модели, в которой выполнялось уравнение Дирака, показывало, что ее противоречие опыту было результатом представлений об области отрицательных энергий.

Но поскольку уравнения требовали введения такого абстрактного объекта, постольку оставался только один путь — наделить "область с отрицатель­ными энергиями" признаками, которые бы запрещали попадание электронов в эту область. Видимо, именно отсюда и пришла правильная догадка о конти­нууме электронов, позволившая построить продуктивную интерпретацию уравнений.

Итак, процесс эмпирического обоснования теоретической гипотезы предполагает ряд достаточно сложных процедур. Среди них можно выделить: 1) экспликацию гипотетической модели, вводимой первоначально вместе с новы­ми уравнениями; 2) отображение этой модели на экспериментально наблюдае­мые взаимодействия природных объектов; 3) сопоставление системы "уравне­ние плюс модель" с данными опыта; 4) перестройку первичной модели, если получено рассогласование с опытом; 5) конструктивное обоснование новой мо­дели; 6) новая проверка опытом системы: "уравнения плюс их новая интерпре­тация ".

Лишь после всех этих операций можно судить, пригодны или непригодны уравнения, введенные методом математической гипотезы, для описания той или иной области взаимодействий. Что касается утверждения о том, что судьба гипотетически вводимых уравнений решается путем их сопоставления с опытом, то оно верно лишь при учете всех описанных особенностей эмпирического обоснования уравнений. Но понимаемое в упрощенной форме: "уравнения от­брасываются, если они не подтверждаются опытом, и сохраняются, если они совпадают с данными эксперимента" — такое утверждение может быть невер­ным (рассогласование с опытом на первом этапе эмпирического обоснования математической гипотезы не является основанием для отбрасывания уравне­ний).

Из вышеизложенного вытекает, что основные трудности создания непротиворечивой системы теоретических знаний не заканчиваются после нахождения уравнений. Более того, именно здесь и начинается самый ответственный и сложный этап работы физика-теоретика.

"Легче открыть математическую форму, необходимую для какой-нибудь основной физической теории, — писал П. Дирак, — чем ее толкование. Это потому, что число вещей, среди которых приходится выбирать, открывая форма­лизм, очень ограничено, так как число основных идей в математике не очень велико, в то время как при физической интерпретации могут обнаружиться чрезвычайно неожиданные вещи". По-видимому, без преувеличения можно сказать, что и на современном этапе развития теоретических знаний, когда пер­вые шаги исследования связаны с математической гипотезой, построение тео­ретической схемы, которая обеспечивает интерпретацию уравнений и их соот­несение с опытом, остается ключевым моментом такого исследования[56].

Таким образом:

1. При исследовании структуры эмпирического познания выясняется, что не существует чистой научной эмпирии, не содержащей в себе примесей теоретического. Но это является не препятствием для формирования объективно истинного эмпирического знания, а условием такого формирования.

2. Теоретические знания создаются именно для того, чтобы объяснять и предсказывать результаты опыта и поэтому должны сопоставляться с эмпирическим материалом. Однако само по себе такое сопоставление отнюдь не явля­ется простой процедурой.

3. Эмпирический и теоретический уровни познания отличаются по предмету, средствам и методам исследования. Однако выделение и самостоятельное рассмотрение каждого из них представляет собой абстракцию. В реальности эти два слоя познания всегда взаимодействуют.

Дата добавления: 2015-11-26