Итак, мы начали наше научное исследование, точнее, оно началось с нами. Мы зафиксировали первый эмпирический факт, который, коль скоро он – отправная точка научного исследования, стал тем самым научным фактом.
Что дальше? Выдающийся французский математик, физик и философ Анри Пуанкаре (1854–1912), описывая в книге «Наука и метод» работу ученого, заметил: «Наиболее интересными являются те факты, которые могут служить свою службу многократно, которые могут повторяться»[2]. Да, действительно так, потому что ученый хочет вывести законы развития природы, т. е. сформулировать некие положения, которые были бы верны во всех случаях жизни для однотипного класса явлений. Для этого ученому нужны множество одинаковых фактов, которые потом он мог бы единообразно объяснить. Ученые, продолжает Пуанкаре, «должны предпочитать те факты, которые нам представляются простыми, всем тем, в которых наш грубый глаз различает несходные составные части»[3].
Итак, мы должны ждать падения новых яблок, чтобы определить, действительно ли они падают всегда. Это уже можно назвать способом, или методом, исследования. Этот способ называется наблюдением и в некоторых областях естествознания (например, в астрономии) остается главным и единственным эмпирическим методом исследования. Правда, чтобы наблюдать «большой мир» (мегамир), нужны мощные телескопы и радиотелескопы, которые улавливают космические излучения. Это тоже наблюдение, хотя и куда более сложное.
Однако в нашем случае нет нужды ждать падения яблок. Мы можем потрясти яблоню и посмотреть, как будут вести себя яблоки, т. е. провести эксперимент, испытать объект исследований. Эксперимент – это «вопрос», который мы задаем природе и ждем от нее ясного ответа. «Эйнштейн говорил, что природа отвечает „нет“ на большинство задаваемых ей вопросов и лишь изредка от нее можно услышать более обнадеживающее „может быть“… Каков бы ни был ответ природы – „да“ или „нет“, – он будет выражен на том же теоретическом языке, на котором был задан вопрос»[4]. Научный эксперимент должен быть способен воспроизвести каждый исследователь в любое время – в этом и состоит его отличительная особенность.
После того, как мы потрясем яблоню и тем самым предпримем простейший из возможных экспериментов, мы убедимся, что все яблоки ведут себя одинаково. Однако, чтобы вывести физический закон, этого мало. Нужно использовать не только яблоки, но и другие тела, причем чем меньше они похожи друг на друга, тем лучше. Здесь вступает в силу второе правило, противоположное первому. «Таким образом, интерес представляет лишь исключение»[5].
Оказывается, что многие тела тоже падают на Землю, как будто на них действует некая сила. Можно предположить, что во всех случаях это одна и та же сила. Но на Землю падают не все тела. Это не относится к Луне, Солнцу и другим небесным телам, обладающим большой массой или удаленным от Земли на значительное расстояние. Налицо различие в поведении тел, над которым тоже стоит задуматься. Есть ли что-либо общее в поведении тел, которые на первый взгляд ведут себя совершенно различно? «Однако мы должны сосредоточить свое внимание главным образом не столько на сходствах и различиях, сколько на тех аналогиях, которые часто скрываются в кажущихся различиях»[6]. Найти аналогии в различиях – необходимый этап научного исследования.
Не над всеми телами удается провести эксперимент. Например, небесные светила можно только наблюдать. Но мы способны объяснить их поведение действием тех же самых сил, направленных не только в сторону Земли, но и от нее. Различие в поведении, таким образом, можно объяснить количеством силы, определяющей взаимодействие двух или нескольких тел.
Если же мы все-таки считаем эксперимент необходимым, то можем провести его на моделях, т. е. на телах, размеры и масса которых пропорционально уменьшены по сравнению с реальными телами. Результаты модельных экспериментов можно считать пропорциональными результатам взаимодействия реальных тел.
Помимо модельного эксперимента возможен мысленный эксперимент. Для этого понадобится представить себе тела, которых вообще не существует в реальности и провести над ними эксперимент в уме. Значение представления, связанного с проведением мысленного, или идеального, эксперимента, хорошо объясняют в своей книге «Эволюция физики» А. Эйнштейн и Л. Инфельд. Дело в том, что все понятия, т. е. слова, имеющие определенное значение, которыми пользуются ученые, вовсе не эмпирические, а рациональные, т. е. они не берутся нами из чувственного опыта, а выступают творческими произведениями человеческого разума. Для того чтобы ввести их в расчеты, необходимы идеальные представления, например об идеально гладкой поверхности, идеально круглом шаре. Такие представления называются идеализациями.
В современной науке надо быть готовым к идеализированным экспериментам, т. е. мысленным экспериментам с применением идеализаций, с которых (а именно экспериментов Галилея) и началась физика Нового времени. Представление и воображение (создание и использование образов) имеет в науке большое значение, но в отличие от искусства это не конечная, а промежуточная цель исследования. Главная цель науки – выдвижение гипотез и теория как эмпирически подтвержденная гипотеза.
Понятия играют в науке особую роль. Еще Аристотель считал, что, описывая сущность, на которую указывает термин, мы объясняем его значение. А его имя – знак вещи. Таким образом, объяснение термина (а это и представляет собой определение понятия) позволяет нам понять данную вещь в ее глубочайшей сущности («понятие» и «понять» – однокоренные слова). По мнению философа, логика и социолога XX в. Карла Поппера, если в обычном словоупотреблении мы сначала ставим, а затем определяем термин (например: «щенок – это молодой пес»), то в науке наблюдается обратный процесс. Научную запись следует читать справа налево, отвечая на вопрос: «Как мы будем называть молодого пса?», а не «Что такое щенок?». Вопросы типа «Что такое жизнь?» лишаются в науке всякого значения, и вообще определения как таковые не играют в ней заметной роли, в отличие, скажем, от философии. Научные термины и знаки – это не что иное, как условные сокращения записей, которые иначе заняли бы гораздо больше места.
Формирование понятий относится к следующему уровню исследований – уже не эмпирическому, а теоретическому. Но прежде мы должны записать результаты эмпирических исследований, с тем чтобы каждый желающий мог их проверить и убедиться в их правильности.
Ученые должны собирать неупорядоченные факты и своим творческим мышлением сделать их связанными и понятными. Поэтому их можно сравнить с детективами. Но в отличие от детектива, который только расследует дело, «ученый должен, по крайней мере отчасти, сам совершить преступление, затем довести до конца исследование. Более того, его задача состоит в том, чтобы объяснить не один только данный случай, а все связанные с ним явления, которые происходили или могут еще произойти»[7].
На основании эмпирических исследований могут быть сделаны эмпирические обобщения, которые имеют значение сами по себе. В науках, которые называют эмпирическими, или описательными, как, скажем, геология, эмпирические обобщения завершают исследование, в экспериментальных, теоретических науках это – только начало. Чтобы двинуться дальше, нужно придумать удовлетворительную гипотезу, объясняющую (в нашем примере) падение тел. Самих по себе эмпирических фактов для этого недостаточно. Необходимо все предшествующее знание, касающееся данной проблемы, в нашем случае – знание принципов механики, например представление о связи движения тела с приложением к нему силы, действующей в направлении движения (в данном случае – к Земле), т. е. знание трех законов механики, которые сформулировал тот же Ньютон до открытия им закона всемирного тяготения.
На теоретическом уровне, помимо эмпирических фактов, требуются понятия, которые создаются заново или берутся из других (преимущественно ближайших) разделов науки. В данном случае это понятия массы и силы, которые были для Ньютона основными при выведении законов механики. Эти понятия должны быть определены и представлены в краткой форме в виде слов (называемых в науке терминами) или знаков (в том числе математических), которые имеют каждый строго фиксированное значение.
«Эмпирическое обобщение опирается на факты, индуктивным путем собранные, не выходя за их пределы и не заботясь о согласии или несогласии полученного вывода с другими существующими представлениями о природе… При гипотезе принимается во внимание какой-нибудь один или несколько важных признаков явления и на основании только их строится представление о явлении, без внимания к другим его сторонам. Научная гипотеза всегда выходит за пределы фактов, послуживших основой для ее построения»[8].
