Естественнонаучная картина мира. Часть 1. Естествознание – комплекс наук о природе
Шрифт:
Никакого чисто логического перехода от опытных данных и научных фактов к законам не существует. Поэтому выдвигаемые общие положения всегда носят характер гипотез. Для их проверки требуется вывести из гипотезы следствия, то есть применить дедуктивный метод, и сравнить эти следствия с экспериментом. Поэтому индукция и дедукция в ходе научного исследования всегда взаимно дополняют друг друга.
По сути, они являются элементами научного метода. Вспомним этапы научного метода по Галилею (рис. 1.8). Второй этап (выдвижение гипотезы в виде аксиомы) требует индуктивных рассуждений, а третий этап (математическое развитие гипотезы, вывод следствий) – дедуктивных. Метод выдвижения гипотезы и ее дедуктивного развертывания
Общенаучные методы названы так потому, что применяются в разных науках, как естественных, так и гуманитарных. К ним относят эксперимент, наблюдение, измерение, моделирование и другие. Все методы важны, но особое значение для естествознания имеет эксперимент, поскольку он обязателен как в начале, так и в конце практически любого цикла исследования природных объектов, процессов и явлений.
Частнонаучные методы применяются в узкой области той или иной науки для решения определенного класса задач. Например, рентгеноструктурный анализ, который позволяет определять атомную структуру вещества, гибридологический метод, который применяется для исследования наследственных свойств организма, и др.
Так, в современной биологии и медицине широко применяется метод секвенирования ДНК (секвенирования генома). Термин «секвенирование» происходит от англ. «sequence» – последовательность. В молекуле ДНК любого живого организма, в том числе человека, зашифрована информация, которая определяет, как он будет развиваться и расти, к каким болезням предрасположен. Молекула ДНК состоит из структурных элементов – четырех нуклеотидов: А – аденин, G – гуанин, C – цитозин, T–тимин. В ДНК человека примерно 3 миллиарда пар нуклеотидов (половина от отца, половина от матери), которые расположены в строго определенной последовательности.
Секвенирование ДНК – это общее название методов, которые позволяют установить последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК. Один из них состоит в том, что молекулу разделяют на небольшие кусочки, специальным образом размножают их и прочитывают (рис. 1.10). Далее из этих маленьких кусочков при помощи математических алгоритмов восстанавливают полную последовательность генома. В ходе этой работы применяют специальные приборы – секвенаторы. Для повышения точности каждый участок генома секвенаторы «прочитывают» десятки раз.
Классификация методов научного познания, которая описана выше, введена философами. Ученые-естествоиспытатели в своей работе решают конкретные проблемы и среди всего арсенала естественнонаучных методов выбирают наиболее подходящие, адаптируя, видоизменяя и дополняя их под свои задачи. Метод решения конкретной задачи, как правило, включает и индуктивные и дедуктивные рассуждения, элементы анализа и синтеза, различные виды как эмпирических, так и теоретических методов научного познания. Но узнав об этом физик или химик скорее всего удивится, подобно герою пьесы Ж. – Б. Мольера, который узнал, что всю жизнь говорил прозой.
Рис. 1.10. Секвенирование молекулы ДНК
В связи с этим в дальнейшем рассмотрении ограничимся общенаучными методами и разберем их на примерах решения конкретных проблем современного естествознания.
1.3.
Наука стремительно развивается. Число научных работ растет по экспоненте. Описывая современное состояние дел, ученые шутят, что научные статьи делятся на «за последние два года и устаревшие». Не являясь специалистами в конкретной области, мы узнаем о новейших открытиях из средств массовой информации и различных научно-популярных источников. Как отличить научное утверждение от маскирующегося под него псевдонаучного? Каковы критерии научного познания?
Критерии, обязательные для методов научного познания. В отличие от обыденного познания, основанного на здравом смысле, ученые-естествоиспытатели в своей работе руководствуются определенными критериями, без соблюдения которых полученные результаты не будут приняты научным сообществом.
Важнейшим критерием научности знания является воспроизводимость результатов наблюдений, экспериментов и измерений. Воспроизводимость означает близость результатов исследований, полученных в разных местах, в разное время, разными методами и средствами, разными исследователями, но проводимых при одних и тех же условиях. Именно в этом пункте зачастую пролегает водораздел между наукой и псевдонаукой. Ученые пытаются предупредить ошибку и сами найти способ экспериментального опровержения своих выводов. Псевдоученые загоняют пыль под ковер и делают расплывчатые предсказания.
Даже в очень дорогостоящих современных установках предусмотрена возможность воспроизведения результатов экспериментов. Так, Большой адронный коллайдер (LHC) – крупнейший в мире ускоритель частиц и самая сложная экспериментальная установка, когда-либо созданная человеком. Казалось бы, как можно говорить о научных открытиях на LHC, в частности об открытии новой элементарной частицы – бозона Хиггса, если эта установка – единственная и уникальная. Оказывается, да, – можно, поскольку в состав LHC входит несколько детекторов. Каждый детектор – это отдельная экспериментальная установка, на которой проводится своя серия экспериментов. На рис. 1.11 изображен один из них – ATLAS (длина 43 м, диаметр 22 м). Если что-то новое обнаруживается на одном детекторе, есть возможность попробовать воспроизвести полученные результаты на другом.
Рис. 1.11. Детектор ATLAS. Источник: https://atlas.cern
Нередко повторение эксперимента другими исследователями опровергает выводы, претендующие на статус открытия. Так, эксперимент по измерению скорости нейтрино, проводимый в 2011 г. в рамках проекта OPERA, давал сенсационный результат. Нейтрино – это элементарные частицы чрезвычайно малой массы, которые очень слабо взаимодействуют с веществом. В эксперименте они пролетали 732 км от ускорителя в ЦЕРНе (Швейцария) до подземного детектора OPERA (Италия) (рис. 1.12).
Рис. 1.12. Эксперимент по исследованию свойств нейтрино
Сенсация состояла в том, что, согласно измерениям, они пролетали это расстояние на 60 наносекунд быстрее, чем если бы они двигались со скоростью света. Это нарушало важнейшее следствие специальной теории относительности: ни один материальный объект не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Однако при попытке повторить эксперимент на трех других установках, этот результат не удалось воспроизвести, а в дальнейшем была обнаружена техническая неисправность в исходном эксперименте (плохо вставленный разъем оптического кабеля). Сенсация не прожила и года.