Научный метод для начинающих. Часть 1
В комментариях к моей статье «Слова и термины» мне задали вопрос: «Как происходит научный поиск?». Вкратце ответ на него выглядит примерно так:
Как начиналась наука
На заре человечества никакой науки не было, были совсем необразованные люди, которым приходилось жить в совсем неласковом мире, и, чтобы все-таки выжить, им надо было этот мир знать. Конечно, они знали его, так же, как таежный охотник знает тайгу, бушмен - саванну, индеец - прерию. Это, так сказать, «бытовое» знание, в котором собраны за многие поколения наблюдения за природой, животными, растениями и т.п. Люди охотились, разделывали добычу, видели внутреннее строение животных. Примерно так же современный крестьянин знает, что у каждого животного есть печень, сердце, лёгкие и другие органы. Для этого не нужно получать образование, нужно просто жить этой жизнью.
Позже, когда люди освоили земледелие и появились первые цивилизации - Вавилон, Египет, Греция, Рим - а у людей появилось свободное время, эти знания дали начало первым наукам. Это были обобщения бытового опыта, к которым добавились размышления о том, какой мир «на самом деле». Вообще, главная задача, которую ставит перед собой наука, в том и состоит: узнать, каков мир «на самом деле». Во-первых, для того, чтобы применить эти знания на практике и сделать жизнь хоть немного лучше, а во-вторых, это просто интересно.
Но для того, чтобы действительно узнать, просто сидеть и размышлять недостаточно. Надо еще и проверить: посмотреть, послушать, пощупать, попробовать на запах и на вкус... Но вот незадача: мало того, что это бывает небезопасно (особенно последнее), наши органы чувств несовершенны. Самое малое, что удается рассмотреть, объекты размером в десятые доли миллиметра, и то, если зрение хорошее. Самая большая скорость, которую мы можем определить - десятки, может, сотни метров в секунду. Все, что быстрее, мы не видим.
Чтобы расширить наше восприятие, создавались различные инструменты. Изобретение микроскопа дало науке знание о клеточном строении известных организмов и целом мире микроскопических живых существ, про которых раньше ничего не было известно. Телескоп обнаружил спутники Юпитера, новые планеты в Солнечной системе, новые звезды, туманности и, наконец, расширение Вселенной. Инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские, радио- и гамма-телескопы позволили нам видеть в тех лучах, которые наш глаз не воспринимает. Сканирующий микроскоп показал даже отдельные атомы, а камеры Вильсона и Черенкова - даже отдельные субатомные частицы: электроны, протоны и т.д.
Научный метод
Чтобы получить нужный ответ, надо задать правильный вопрос, а потом выслушать ответ и правильно его понять. Это не всегда просто, даже если речь идет о людях, разговаривающих на одном языке. А если мы хотим получить ответ от природы, которая вовсе человеческих языков не понимает, становится еще трудней. Не подойдешь к дереву с вопросом: «Сколько тебе лет?». То есть, спросить-то можно, а толку? Для того, чтобы получать ответы от природы, и был создан научный метод.
В научном методе есть эмпирическая, то есть, экспериментальная и теоретическая части.
Эмпирическая часть включает:
- Наблюдение - изучение каких-либо объектов и явлений в окружающем мире. В простом случае - просто садись и смотри, лучше без попкорна, отвлекает. Чаще все сложнее, надо выбирать место, время, условия и использовать различные инструменты от простых до очень сложных и дорогих. Один из таких инструментов - телескоп «Хаббл», который обошелся в несколько миллиардов долларов.
- Эксперимент - сначала что-то делаем, производим какое-то воздействие на объект, а потом наблюдаем, что из этого выйдет. Отличается от наблюдения тем, что мы сами создаем нужные условия для наблюдения, а не ждем, когда они возникнут.
- Измерение - составная часть любого грамотного эксперимента или наблюдения. Определение количественной меры каких-либо параметров объекта или явления. (Не просто «скорость увеличилась», а «увеличилась на 15 м/с»). Необходимо для создания математических или иных моделей и формулирования законов. Тому, как проводить измерения, учит целая наука под названием «метрология».
Теоретическая часть включает:
- Модель - упрощенный образ объекта или явления, в котором присутствуют существенные его параметры и отсутствуют те, которые оказывают малое влияние или не связаны с изучаемым процессом или взаимодействием. Так, например, в школьном курсе физики при изучении падения тел у поверхности Земли принимается модель, в которой отсутствует сопротивление воздуха (что с некоторой точностью можно считать справедливым для тел большой плотности и округлой формы, например, дробинки или камни, движущихся с небольшими скоростями) и гравитационное поле не изменяется с высотой (что выполняется, если изменение высоты мало по сравнению с радиусом Земли, составляющим немного меньше 6400 км). Это позволяет изучить различные части явления по отдельности, а потом уже, при необходимости, применять это знание вместе. Так, баллистика использует и аэродинамику и закон всемирного тяготения.
- Гипотеза - некое утверждение, имеющее под собой основания, однако не достаточные для того, чтобы признать его истинным. Обоснованное, но не доказанное предположение.
- Закон - утверждение, связываающее между собой объекты и подтвержденное многочисленными экспериментами и/или наблюдениями. Например, закон всемирного тяготения описывает гравитационное взаимодействие между массивными телами.
- Теория - обычно более широкое понятие, чем закон. Теория - целая система связанных законов и представляет собой систему знания. Так, например, электродинамика включает в себя законы Ома, Кирхгофа и др., а термодинамика - три начала термодинамики, газовые законы и др.
Я бы добавил в этот список еще одно понятие: научный факт, то есть, то, что совершенно неопровержимо доказано экспериментально. Научным фактом является, например, обращение планет Солнечной системы вокруг Солнца. Когда-то это было всего лишь гипотезой, потом стало теорией, а сейчас - научный факт. Другим примером научного факта служит эволюция жизни на Земле. Конкретные механизмы этой эволюции еще изучаются, но то, что эволюция была и есть, и то, что все биологические виды есть её результат - научный факт.
Аксиомы и постулаты
Отдельно хочу рассказать о двух менее значимых понятиях. Аксиомы и постулаты в структуре знания занимают место ступенькой ниже, чем то, что я перечислил, но с ними часто возникает один вопрос, точнее непонимание. Люди очень часто смешивают их вместе, искренне полагая, что это одно и то же, но это совершенно разные понятия.
Внешне они, конечно, очень похожи: и те и другие нужны для разработки теорий в качестве начальных условий. Так, евклидова геометрия начинается с евклидовых же пяти аксиом, а специальная теория относительности - с постулатов относительности и постоянства скорости света. Все же такое наблюдение: аксиомы используются в математике, а постулаты - в физике. И это не просто разница в терминологии.
Математика - абстрактная наука, она совсем не обязана увязывать свои теоремы с окружающим миром. Строго говоря, это вообще не наука именно по этой причине. Математика - инструмент для построения моделей. Она должна уметь строить непротиворечивые модели, а увязывать их с реальностью - дело других наук, например, физики. Поэтому главное требование к аксиомам: их непротиворечивость и достаточность для построения конкретной модели.
Что-то подобное делают фантасты, когда описывают какой-то другой, фантастический мир. Некоторые авторы при этом продумывают его довольно тщательно, мир получается законченным, реалистичным, хотя он совершенно фантастичен. Таково, например, Среднеземье у Толкиена, мир Колеса Времени у Джордана, миры Дейва Дункана. Другие авторы не продумывают мир, а начинают сразу писать. По крайней мере, создается такое впечатление. Потом, по мере необходимости, просто придумывается новое правило, какая-нибудь новая магия... Как-то впопыхах получается.
Лобачевскому достаточно оказалось изменить одну из аксиом, чтобы получилась совсем другая геометрия. И неважно, есть ли она в окружающем мире, - главное, что она оказалась стройной, непротиворечивой моделью. То есть, аксиома - достаточно произвольная вещь, которая должна подчиняться определенным правилам, но среди этих правил нет обязательности соответствия реальности. По большей части, конечно, математические построения, находят свое применение в описании реальности, но это не обязательное условие.
Постулат же обязательно основывается на опыте. Он может не быть объясненным в рамках существующей науки, но обязательно должен быть доказан экспериментально. Так, в ньютоновскую механику входят постулаты об абсолютных и независимых пространстве и времени. В школе об этом не говорят, видимо, потому, что эти представления приобретаются нами с самого детства, но Ньютон об этих постулатах говорил. Сейчас мы знаем, что они справедливы только при не слишком больших скоростях и в отсутствии слишком больших масс, но мы спокойно пользуемся ньютоновской механикой там, где она применима. И мы знаем, что, если не разгоняться до скоростей, близких к скорости света, и избегать нейтронных звезд и черных дыр, то ньютоновская механика отлично работает вместе с ее постулатами.
Постулаты теории относительности тоже основаны на опыте. При этом первый из них и так не вызывал особых возражений, второй же основывался на известном опыте Майкельсона-Морли.
К чему это я? Да к тому, что время от времени от некоторых несознательных граждан слишится: мол, аксиомы и постулаты - то же самое, что и религиозные догмы. Так вот, совсем не то же самое.
Аксиомы создаются чуть более произвольно, чем постулаты, но все равно по определенным правилам и критериям, а постулаты и вовсе доказываются экспериментально. Никакой постулат не принимается по принципу «я так хочу» или «мне тут откровение было, после грибочков...». Постулат не всегда может быть объяснен. Собственно говоря, потому он и постулат, что его не удается объяснить. Ну не понятно, почему скорость света постоянна!.. Или почему пространство однородно и изотропно. Или почему время движется только в одну сторону. Да многое пока мы не можем объяснить, но это не означает, что этих вещей нет! И постоянство скорости света, и однородность пространства известны из опыта. Получается примерно так: «Я не знаю, почему скорость света постоянна, но она постоянна, а из этого факта вкупе с инвариантностью законов при переходе от одной системы отсчета к другой следует...» И дальше вся теория относительности.
Кроме того, и аксиома и постулат имеют значение только в рамках конкретной системы (геометрии или теории). Ньютоновские постулаты в теории относительности не просто не используются, они в ней опровергаются! В следующей теории, возможно, будет опровергнут какой-нибудь постулат теории относительности. Наука развивается.
Религиозные догмы, напротив, не основываются ни на чем, кроме, быть может (некоторые), обычного житейского опыта (это касается, например, заповедей «не убий», «не укради», «не желай...»), а своей незыблемостью они не дают развиваться ни морали, ни обществу.
Продолжение следует...