Естествознание. Базовый уровень. 10 класс

Вечная трагедия науки: уродливые факты убивают красивые гипотезы.

Т. Гексли

Прогресс состоит не в замене неверной теории на верную, а в замене одной неверной теории на другую неверную, но уточнённую.

С. Хокинг

Этапы научного исследования. Итак, в основе естественно-научных исследований лежат наблюдение, эксперимент, измерение и математическая обработка полученных результатов.

Мы знаем также, что представления об этих основных приёмах изучения окружающего мира были заложены в конце XVI – начале XVII в., главным образом благодаря трудам Галилея. В это же время стали складываться понятия об общих принципах, которым должно соответствовать научное исследование.

Рис. 30. Фрэнсис Бэкон

Одним из первых мыслителей, высказавших свою точку зрения по этому вопросу, был современник Галилея английский философ и политический деятель Фрэнсис Бэкон (1561–1626) (рис. 30). Он полагал, что такое исследование должно включать несколько этапов. Вначале исследователь обобщает имеющиеся факты, результаты наблюдений и экспериментов, выполненных им самим или другими учёными. Затем он применяет метод индукции, т. е. рассуждения от частных фактов к общим понятиям. В результате такого индуктивного рассуждения он создаёт гипотезу, т. е. высказывает предположения о тех закономерностях и причинах, которые могут лежать в основе наблюдаемых явлений. Но пока это только предположения, ведь на самом деле любую совокупность фактов можно объяснить каким-нибудь способом. Для того чтобы подтвердить правильность гипотезы, требуется предложить эксперименты для её проверки. Это должны быть такие эксперименты, которые не использовались при создании гипотезы. Для их планирования используется метод дедукции – рассуждения от общего к частному. Исследователь рассуждает так: «Если моя гипотеза верна, то в таких-то экспериментах должны получиться такие-то результаты». И наконец, осуществляется верификация гипотезы – её экспериментальная проверка. Если результаты совпадут с предполагаемыми, т. е. если гипотеза сможет предсказывать новые факты и явления, она становится научной теорией.

Таким образом, разработка любой научной теории начинается с построения гипотез. Гипотеза – это предположение о строении, организации или причинах существующих процессов или явлений. Впоследствии любая гипотеза может оказаться истинной или ложной. Многие гипотезы в течение долгого времени не могли быть доказаны, но впоследствии превратились в строго обоснованные теории. Другие же, хотя и принятые в своё время большинством учёных, как, например, теории флогистона или теплорода, были в дальнейшем опровергнуты более строгими экспериментами. Это обстоятельство вовсе не означает, что окончательно не доказанные гипотезы не должны приниматься во внимание учёным сообществом. Как писал Ф. Энгельс,

«если бы мы захотели ждать, пока материал будет готов в чистом виде для закона, то это значило бы приостановить до тех пор мыслящее исследование, и уже по одному этому мы никогда не получили бы закона».

История науки знает случаи, когда неправильные гипотезы послужили основанием для создания абсолютно правильных теорий. Мы узнаем в дальнейшем, что ошибочная теория теплорода привела к созданию одной из важнейших наук – термодинамики. В процессе развития научной мысли по мере верификации (экспериментальной проверки), уточнения существующих моделей, увеличения или уменьшения степени идеализации некоторые гипотезы отбрасываются, а другие становятся непреложными научными теориями. При этом надо заметить, что первые составляют явное большинство, что дало основание французскому математику А. Пуанкаре заметить, что «наука – это кладбище гипотез».

Концепция фальсификационизма

Такова общепринятая теория логики научного исследования. Однако в XX в. научные горизонты расширились, и в результате стали появляться новые философские теории, пытающиеся осмыслить более общие проблемы сущности и истории науки. Одной из наиболее широко распространённых в наше время концепций в этой области является точка зрения австрийского и британского философа Карла Поппера (1902–1994), который предложил концепцию фальсификационизма (от лат. falsus – ложный) (рис. 31). Особенностью рассуждений Поппера является то, что он отвергает любую верификацию как окончательное доказательство правильности теории. Сколько бы раз эксперименты ни подтверждали, что данная теория справедлива, всегда может найтись один факт, который будет ей противоречить, и этот единственный факт, если он твёрдо установлен, покажет, что теория не является абсолютно правильной. Поппер считает, что фактов, подтверждающих правильность научной теории, сколько бы их ни было, недостаточно для абсолютной уверенности в её истинности. Поэтому он считает критерием научности теории не верифицируе мость, а фальсифицируемость, т. е. возможность быть опровергнутой. По мнению Поппера, автор теории должен сказать: «Докажите, что я не прав», – и сам предложить опыты, которые могли бы опровергнуть его точку зрения. До тех пор, пока результаты этих опытов не будут противоречить теории, её можно считать верной. Если же когда– нибудь новые факты не совпадут с ней, теорию постигнет участь отвергнутых гипотез. Например, до открытия Австралии можно было смело утверждать, что все лебеди белого цвета. Все имеющиеся наблюдения эту точку зрения подтверждали. Однако после того, как люди увидели чёрных лебедей, «теория белизны лебедя» была опровергнута.

Рис. 31. Карл Поппер

Любая теория, неспособная предложить способа своего опровержения, не может считаться научной. Поэтому, например, не может считаться наукой астрология, сколько бы примеров удачного предсказания на основе гороскопов она ни приводила. Точно так же ненаучна и телепатия, поскольку нельзя предложить такой опыт, в котором будет показано, что её точно не существует. Но наряду с этими сомнительными концепциями в «ненаучные», по мнению Поппера, попадают и общепризнанные теории, например теории эволюции, поскольку мы не можем предложить эксперимент или создать такие условия, где могло бы выясниться, что теория естественного отбора окажется неправильной.

Концепция Томаса Куна. Научные революции.

Другим известным мыслителем, высказавшим в своей книге «Структура научных революций» оригинальную точку зрения на процесс развития науки, был американский философ и историк науки Томас Кун (1922–1996). Он считал, что развитие науки происходит скачкообразно путём «научных революций». Главным в концепции Куна является понятие парадигмы, под которой он понимает совокупность научных фактов и фундаментальных теорий, признаваемых научным сообществом в определённый период времени. В парадигму также входят общепринятые способы постановки научных проблем и способов их решения, которые входят в учебники и преподаются в учебных заведениях. Науку, развивающуюся в рамках существующей парадигмы, Кун называет «нормальной наукой». В период «нормальной науки» вначале создаются новые революционные теории и модели, делаются крупные научные открытия. Впоследствии, однако, когда основные проблемы решены, а выходить за рамки парадигмы научное сообщество не позволяет, наука начинает заниматься мелкими частными проблемами. Такие проблемы Кун называл «головоломками», так как для них, как, например, при складывании картинки из кубиков, во– первых, существует гарантированное решение, а во-вторых, это решение может быть получено неким предписываемым путём. Нельзя придумать собственную картинку или сложить из кубиков какую-либо пусть интересную, но не предусмотренную правилами фигурку.

По мере развития научного знания постепенно накапливаются факты, объяснить которые в рамках существующей парадигмы становится невозможно. В качестве примера можно рассмотреть идею Птолемея, заключающуюся в том, что Солнце, планеты и звёзды вращаются вокруг Земли. В течение многих веков это мнение принималось всеми. Однако чем точнее становились астрономические измерения, тем большее различие выявлялось между рассчитанным и действительным положением небесных светил. Попытки улучшить и немного уточнить геоцентрическую теорию Птолемея не принесли желаемых результатов. В науке наступил, по выражению Куна, кризис. Развитие этого кризиса и недовольство существующей парадигмой привело к появлению и довольно быстрому признанию гелиоцентрической системы Коперника, т. е. к появлению новой парадигмы. Смену парадигм Кун называет научной революцией.

История науки знает много научных революций. В их число входит создание молекулярной теории строения вещества, открытие генетических основ наследственности, появление квантовой физики и теории относительности и др. О них мы подробно поговорим в следующих главах учебника.

Проверьте свои знания

1. Что такое индукция, дедукция и верификация?

2. В каком случае, согласно К. Попперу, теория не может считаться научной?

3. Приведите примеры из науки, когда гипотеза становилась теорией.

4. Известны ли вам случаи, когда ошибочная гипотеза становилась основанием для правильной научной теории?

5. Что происходит в период «нормальной науки»?

6. Что происходит в результате научной революции?

7. Приведите примеры научных революций в разных науках.

Задания

Какие из приведённых теорий фальсифицируемы?

а) молекулярно-кинетическая теория;

б) теория происхождения жизни;

в) специальная теория относительности;

г) теория естественного отбора.

§ 11 Естествознание и другие способы человеческого познания

Прилежный, мудрый и верный истолкователь природы, древности и Священного Писания, он утверждал своей философией величие Всемогущего Бога, а нравом выражал евангельскую простоту.

Пусть смертные радуются, что существовало такое украшение рода человеческого.

Из надписи на надгробии Ньютона

Лженаука пялит бесстыдные зенки на мою горящую руку. Размахивается кнутом. Это мы знаем. Носком ботинка в голень – в надкостницу! Тут же прямой удар в нос – ослепить! Двумя крюками добиваю расползающегося колосса. Лженаука испаряется.

В. Аксёнов. Затоваренная бочкотара

Несомненные и колоссальные достижения естествознания, особенно в XIX и XX вв., позволили, с одной стороны, достаточно просто объяснить явления, прежде казавшиеся необъяснимыми, а с другой – принесли людям всевозможные блага цивилизации, позволяющие жить в комфортной обстановке и избавляющие от тяжёлого физического, а с появлением компьютера – и умственного труда. Это породило у большинства людей веру во всемогущество науки и её чуть ли не исключительную роль в человеческом познании. Однако легко убедиться в том, что это неверно. Прежде всего, выясним, что такое естествознание и является ли оно синонимом слова «наука». По этому поводу существует двоякая точка зрения, причём многие часто употребляют слово «наука» в разных смыслах, порой не вполне это осознавая. С одной стороны, под этим словом понимают познавательную деятельность, направленную на получение объективных знаний о природе, обществе и мышлении. С другой стороны, понятие «наука» часто используют для обозначения только естественных наук, в которых знания добываются с помощью тех методов, о которых рассказывалось в предыдущих параграфах. В связи с этим возникает вопрос: можно ли считать наукой гуманитарные науки? Споры по этому вопросу продолжаются уже очень долго и не утихают до сих пор. Словари часто дают разное толкование термина «наука». Попробуем разобраться в этой проблеме.

Соотношение естествознания и обществознания.

Успехи науки сформировали у многих мнение, что естествознание в принципе может объяснить все существующие в мире явления вплоть до человеческой психики и социального устройства. Ещё в середине XIX в. основоположник «научного коммунизма» Карл Маркс писал:

«Впоследствии естествознание включит в себя науку о человеке в такой же мере, в какой наука о человеке включает в себя естествознание. Это будет одна наука» и «я смотрю на развитие общественной формации, как на естественно-исторический процесс».

Позже выяснилось, что далеко не все сферы человеческой деятельности можно с лёгкостью объяснить при помощи естественных наук, а представители искусства и духовенства в подавляющем большинстве отказывались положить естественно-научные принципы в основу своей деятельности. Как писал в 70-е гг. XX в. английский физик и писатель Чарльз Сноу:

«Учёные и художественная интеллигенция до такой степени перестали понимать друг друга, что это стало навязшим в зубах анекдотом».

В истории науки и культуры существуют две крайние точки зрения по вопросу соотношения естествознания и обществознания. Сторонники одной из них считают, что гуманитарные науки обязаны использовать все принципы естествознания с его экспериментальными и математическими методами. Они называются сциентистами (от англ. science – наука). Их противники утверждают, что естественные науки не только не могут объяснить проблемы человеческого бытия, но даже враждебны ему.

На самом же деле как естественные, так и гуманитарные науки представляют самостоятельную ценность и, несмотря на то что в их методах и подходах существует много различий, можно найти черты, их объединяющие. Хотя в гуманитарных исследованиях не существует строгого эксперимента, их положения и выводы строятся на наблюдении, а часто и на измерении, которые, как мы знаем, тоже входят в число научных методов. Гуманитарные науки не могут обойтись и без некоторого абстрагирования. Так историк, описывая определённый исторический период в целом, может не учитывать особенности поведения каждого человека или случайные события в конкретном населённом пункте. В гуманитарных науках редко используются строгие математические вычисления, но выводы этих наук обязательно должны строиться на законах логики, которые в некоторых случаях не уступают в строгости математическим выкладкам.

Существуют, конечно, и некоторые принципиальные различия, касающиеся, например, характера объяснений, применяемых в естествознании и в гуманитарных науках. Одним из таких различий является отношение к проблеме причины и цели. В естественных науках в качестве причины какого-либо явления признаётся только событие, предшествующее ему во времени. В противоположность этому историки, социологи и психологи не могут обойтись без телеологических объяснений, т. е. тех, которые раскрывают цели, намерения и мотивы поведения и деятельности людей.

Помимо естественных и гуманитарных наук существуют и другие способы познания мира, без которых человечество не могло бы существовать и развиваться. В первую очередь к ним относятся художественная литература, искусство и религия.

Искусство как способ познания мира.

Искусство, в отличие от науки, воздействует не столько на мыслительную, логическую сферу человека, сколько непосредственно на его ощущения, восприятия и сопровождающие их эмоции. Чем больше эмоций возникает у человека при восприятии произведения искусства, тем более талантливым оно признаётся. В отличие от науки, в искусстве форма не может быть оторвана от содержания. Преподаватель может внятно и доходчиво рассказать вам содержание какой-либо научной теории, и вы будете иметь о ней такое же представление, как если бы сами прочли в научной литературе. Но никакой преподаватель, даже весьма художественно одарённый, не скажет, что он видел в музее картину великого художника и сейчас попытается изобразить её на доске, чтобы вы наглядно представили себе эту картину. Произведение искусства, в отличие от научного факта, невоспроизводимо. Даже записанное нотами музыкальное произведение звучит неодинаково у разных исполнителей.

Из этого, однако, ни в коем случае не следует, что в искусстве не присутствует познавательный компонент, а в науке – эстетический. Скорее всего, первые образцы искусства – наскальные рисунки первобытных людей служили руководством по приёмам охоты. Часто художественное произведение лучше, чем сухая инструкция, может подсказать правильное решение. Настоящая наука также немыслима без эстетики. Настоящий учёный всегда получает удовольствие от экспериментальной или теоретической работы. Существуют выражения «изящный эксперимент» или «красивое уравнение». Среди физиков популярен афоризм: «Если теория не красива, то она не верна»[5].

Наука и религия

Взаимоотношения науки и религии вызывали самые ожесточённые споры с того самого времени, когда появилось естествознание, т. е. с начала эпохи Возрождения. Не прекращаются они и в наше время. Однако надо признать, что конфликты между деятелями науки и Церковью были часто вызваны не мировоззренческими, а социальными или экономическими причинами. У различных социальных слоёв возникало желание установить своё идеологическое господство. Отсюда появлялось и гонение Церкви на естествознание с сожжением научных книг, а иногда и их авторов, и воинствующий атеизм, широко практиковавший осквернение и разрушение храмов. В действительности же между научным и религиозным способами познания нет противоречия: они исследуют различные стороны одной и той же реальности. Это прекрасно понимали многие великие естествоиспытатели. Основатель современной физики Исаак Ньютон был глубоко религиозным человеком и писал богословские сочинения. Но в свою натурфилософию он не включал ничего божественного. Вслед за Аристотелем он считал Бога «Перводвигателем», создавшим прекрасную Вселенную с её мудрыми законами природы и предоставившим этим законам работать. Естествознание избрало предметом своего исследования определённую часть необъятного Мира, полностью постичь который, по-видимому, невозможно. Оно отлично справилось с этой задачей и продолжает делать на этом пути успехи. Но следует помнить, что при этом исследуется только часть огромного целого, и наука, сознательно ограничив поле своей деятельности, не может выйти за ею же самой поставленные рамки. На других полях работают другие механизмы познания, к которым относятся религия, философия и искусство. Поэтому позиция сциентистов кажется необоснованной – надо не отгораживаться от соседей по совместному труду и не пытаться захватить их территорию, а постараться встретиться у границ участков и протянуть друг другу руки. Как говорил американский физик, лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман:

«…не всё, что не наука, уж обязательно плохо. Любовь, например, тоже не наука. Словом, когда какую-то вещь называют не наукой, это не значит, что с ней что-то неладно: просто не наука она, и всё».

Псевдонаука

Часто можно услышать выражение «лженаука», причём это слово всегда имеет негативную окраску. Являются ли религия и искусство лженаукой? Очевидно, нет. Что же тогда лженаука?

Лженаука, или псевдонаука, – это теория или учение, которое, не являясь научным, настаивает на своей научности. Все основные правила научного исследования, о которых говорилось ранее, в лженауке не соблюдаются. Она никогда не опирается на эксперименты, которые могут быть воспроизведены независимыми исследователями, и принципиально игнорирует факты, противоречащие её положениям, которые, согласно концепции К. Поппера, должны погубить любую теорию. Все предложения экспериментально проверить их теоретические построения представители лженауки постоянно отвергают, апеллируя при этом к «здравому смыслу», «общеизвестным фактам» или к сомнительным авторитетам. Отличительной чертой лженауки обычно является её помпезность, провозглашение великих открытий, которые раскрывают перед человечеством принципиально новые пути и избавляют его от многих невзгод.

Надо сказать, представители естественных наук иногда тоже занимают чрезмерно агрессивную позицию, категорически утверждая, что необъяснимых (или ещё не объяснённых наукой) явлений в принципе не существует. Такое заявление может оказаться поспешным. Многие из фактов, о которых сообщают наблюдатели, не противоречат законам физики, а просто не вытекают из них. Они не могут быть подтверждены методами науки и поэтому не существуют для науки. Однако это не значит, что их не существует вообще. История знает много примеров, когда в результате работы над ложными теориями возникали настоящие науки. Так из астрологии возникла астрономия, из алхимии – современная химия, из теории теплорода – термодинамика.

Проверьте свои знания

1. На чём основывается уверенность во всемогуществе науки?

2. Что такое телеологическое объяснение?

3. В чём заключается сходство и различие методов естественных и гуманитарных наук?

4. Что надо понимать под лженаукой?

Задания

1. Нарисуйте сравнительную таблицу или напишите эссе, где сравните основные принципы, установки и методы, используемые естественными и гуманитарными науками, искусством и религией.

2. Оцените роль науки в жизни человека и общества.

Ваша будущая профессия

1. Каков профиль школы, в которой вы учитесь, – естественный, гуманитарный, технический или какой-либо другой? Какие предметы у вас являются профилирующими? Основы каких наук вы изучаете на этих уроках?

2. Специальность – комплекс приобретённых путём специальной подготовки и опыта работы знаний, умений и навыков, необходимых для определённого вида деятельности в рамках той или иной профессии. Профессия – социально значимый род занятий человека, вид его деятельности. Какую специальность вы планируете приобрести в ходе дальнейшего обучения? Определились ли вы уже с выбором профессии?

3. Напишите краткое эссе о профессиях, которые вас интересуют.

Мир, который мы ощущаем

§ 12 Пространство, время, материя

Время – это всецело последовательность и больше ничего, пространство – всецело положение и больше ничего, материя – всецело причинность и больше ничего.

А. Шопенгауэр

И в пути, и на отдыхе – ибо отдых входит в путешествие – нужно без малейшего нетерпения отдаваться на волю времени, предоставляя ему преодолевать пространство. Когда-нибудь, и в конце концов раньше, чем ждёшь, оно с ним справится.

Т. Манн. Иосиф и его братья

Триединая картина мира.

До открытия сложных природных явлений, таких как электричество, и уж тем более до открытия строения атома, люди знали, что в мире, где они живут, существуют три очевидные и основополагающие вещи: пространство, время и нечто, из чего состоят сами люди и все окружающие их предметы, т. е. вещество. Это вещество может быть твёрдым, мягким или жидким (о существовании газов догадались позднее) и обладает массой.

Очевидно, что каждый предмет где-то находится, т. е. занимает место, причём каждое место может быть занято только одним предметом. Какие-то предметы могут находиться далеко друг от друга, а какие-то близко. Отношения между местами, занятыми предметами, определяются расстоянием между ними. Расстояние между различными частями одного и того же тела определяет его размер.

Но положение тел и расстояние между ними не всегда бывают одинаковыми. Предмет можно поднять, и тогда расстояние между ним и поверхностью земли увеличится. Можно его перенести, и тогда расстояние между ним и другими предметами тоже увеличится или, наоборот, уменьшится. Иногда предметы могут изменять своё положение сами, как, например, люди, животные, падающая вода или упавший с горы камень (рис. 32). Это изменение называют движением.

Предмет, изменивший свое положение, когда-то находился в ином месте. Следовательно, в ходе движения меняется ещё что-то, что мы называем временем. Получается, что «что-то», «где-то» и «когда-то» тесно связаны между собой. Впоследствии эти понятия стали называть соответственно веществом (а позднее в более обобщённом виде – материей), пространством и временем, а характеристики, используемые для их измерения, – массой, расстоянием и длительностью.

Расстояние и длительность.

Эти понятия действительно очень тесно связаны между собой. Настолько тесно, что, по крайней мере, до XX в. физика никак не могла разобраться в этой связи. В обыденной жизни мы часто непроизвольно перемешиваем понятия расстояния и длительности. Ведь как объяснить человеку, что пункт А находится близко от него, а пункт Б – далеко? Точного расстояния в метрах и километрах мы можем и не знать, да и не всякий способен легко оценить эту величину. Проще сделать это с помощью времени, сказав, например, «пятнадцать минут пешком» или «двадцать минут на метро». Здесь для связи пространства и времени мы неявно используем понятие скорости. Предполагается, что скорость пешехода или поезда метро нашему собеседнику известна.

Метод оценки расстояний с помощью длительности люди использовали с древнейших времён. Так, в Персии существовала мера расстояния – фарсанг, которая означала путь, проходимый караваном от одного привала до другого. Фарсанг мог быть различным, в зависимости от того, лежит путь по пересечённой или ровной местности, в гору или с горы. Со временем, конечно, фарсанг приобрёл постоянную длину. Один норвежский путешественник, посетивший в конце IX в. Англию, рассказывал королю о расстояниях в Скандинавии, называя число дней плавания между разными её частями при попутном ветре. Герой рассказа Л. Н. Толстого «Много ли человеку земли нужно?» покупал землю по цене «тысяча рублей за день». Под этим подразумевается участок земли, который можно обойти за день.

Рис. 32. Любые изменения положения живых и неживых объектов во времени и пространстве называют движением

Хорошо понимая, что пространство и время связаны между собой скоростью, жадный Пахом побежал так быстро, что к концу дня упал мёртвым. Измерение расстояния с помощью времени используется и в науке: так, в астрономии большие расстояния измеряют в световых годах. Световой год равен расстоянию, которое свет проходит за год.

Массу, т. е. количество материи, тоже в принципе можно измерить с помощью представлений о расстоянии и длительности, рассчитывая, например, количество земли, которое бригада рабочих перенесёт в течение часа на расстояние 100 м.

Особенно тесно пространство связано со временем. Эта связь обнаруживается не только в повседневной жизни, но и в точных физических исследованиях. На ней построена, как мы узнаем дальше, теория относительности А. Эйнштейна, а немецкий математик Герман Минковский в 1908 г. предложил объединить время и пространство в единую систему координат (такое пространство ещё называют пространством Минковского).