Эмпирический и теоретический уровни научного исследования

Таким образом, не только в эксперименте, но и в процессе научного наблюдения природа дана наблюдателю не в  форме созерцания, а в форме  практики. Исследователь всегда выделяет в природе (или создает искусственно из ее материалов) некоторый набор  объектов, фиксируя каждый из них по строго определенным признакам, и использует их в качестве средств эксперимента и наблюдения (приборных подсистем).

Отношение последних к изучаемому в наблюдении объекту образует предметную структуру  систематического наблюдения и экспериментальной  деятельности. Эта структура характеризуется  переходом от исходного состояния  наблюдаемого объекта к конечному  состоянию после взаимодействия объекта со средствами наблюдения (приборными подсистемами).

Жесткая фиксация структуры наблюдений позволяет  выделить из бесконечного многообразия природных взаимодействий именно те, которые интересуют исследователя.

Конечная  цель естественно-научного исследования состоит в том, чтобы найти законы (существенные связи объектов), которые управляют природными процессами, и на этой основе предсказать будущие возможные состояния этих процессов. Поэтому если исходить из глобальных целей познания, то предметом исследования нужно считать существенные связи и отношения природных объектов.

Но  на разных уровнях познания такие  связи изучаются по-разному. На теоретическом  уровне они отображаются "в чистом виде" через систему соответствующих  абстракций. На эмпирическом они изучаются  по их проявлению в непосредственно  наблюдаемых эффектах. Поэтому глобальная цель познания конкретизируется применительно  к каждому из его уровней. В  экспериментальном исследовании она  выступает в форме специфических  задач, которые сводятся к тому, чтобы  установить, как некоторое начальное  состояние испытуемого фрагмента  природы при фиксированных условиях порождает его конечное состояние. По отношению к такой локальной  познавательной задаче вводится особый предмет изучения. Им является объект, изменение состояний которого прослеживается в опыте. В отличие от предмета познания в глобальном смысле его  можно было бы называть предметом  эмпирического знания. Между ним  и предметом познания, единым как  для эмпирического, так и для  теоретического уровней, имеется глубокая внутренняя связь.

Когда в эксперименте и наблюдении исследователь  регистрирует конечное состояние O2 испытуемого  объекта, то при наличии фиксированной  приборной ситуации и начального O1 состояния объекта это эквивалентно нахождению последнего недостающего звена, которое позволяет охарактеризовать структуру экспериментальной деятельности. Определив эту структуру, исследователь  тем самым неявно выделяет среди  многочисленных связей и отношений  природных объектов связи (закономерности), которые управляют изменением состояний  объекта эмпирического знания. Переход  объекта из состояния O1 в состояние O2 не произволен, а определен законами природы. Поэтому, многократно зарегистрировав  в эксперименте и наблюдении изменение  состояний объекта, исследователь  неявно фиксирует самой структурой деятельности и соответствующий  закон природы.

Объекты эмпирического знания выступают  здесь в качестве своеобразного  индикатора предмета исследования, общего как для эмпирического, так и  для теоретического уровней.

Фиксация  предмета исследования в рамках экспериментальной  или квазиэкспериментальной деятельности является тем признаком, по которому можно отличить эксперимент и систематические наблюдения от случайных наблюдений. Последние суть наблюдения в условиях, когда приборная ситуация и изучаемый в опыте объект еще не выявлены. Регистрируется лишь конечный результат взаимодействия, который выступает в форме эффекта, доступного наблюдению. Однако неизвестно, какие именно объекты участвуют во взаимодействии и что вызывает наблюдаемый эффект. Структура ситуации наблюдения здесь не определена, а поэтому неизвестен и предмет исследования. Вот почему от случайных наблюдений сразу невозможен переход к более высоким уровням познания, минуя стадию систематических наблюдений. Случайное наблюдение способно обнаружить необычные явления, которые соответствуют новым характеристикам уже открытых объектов либо свойствам новых, еще не известных объектов. В этом смысле оно может служить началом научного открытия. Но для этого оно должно перерасти в систематические наблюдения, осуществляемые в рамках эксперимента или квазиэкспериментального исследования природы. Такой переход предполагает построение приборной ситуации и четкую фиксацию объекта, изменение состояний которого изучается в опыте. Так, например, когда К.Янский в опытах по изучению грозовых помех на межконтинентальные радиотелефонные передачи случайно натолкнулся на устойчивый радиошум, не связываемый ни с какими земными источниками, то это случайное наблюдение дало импульс серии систематических наблюдений, конечным итогом которых было открытие радиоизлучения области Млечного Пути. Характерным моментом в осуществлении этих наблюдений было конструирование приборной ситуации.

Главная задача здесь состояла в том, чтобы  определить источник устойчивого радиошума. После установления его внеземного происхождения решающим моментом явилось  доказательство, что таким источником не являются Солнце, Луна и планеты. Наблюдения, позволившие сделать  этот вывод, были основаны на применении двух типов приборной ситуации. Во-первых, использовалось вращение Земли, толща  которой применялась в наблюдении в функции экрана, перекрывающего в определенное время суток Солнце, Луну и планеты (наблюдения показали, что в моменты такого перекрытия радиошум не исчезает). Во-вторых, в  наблюдении исследовалось поведение  источника радиошума при перемещении  Солнца, Луны и планет на небесном своде  относительно линии горизонта и  неподвижных звезд. Последние в  этой ситуации были использованы в  качестве реперных точек (средств наблюдения), по отношению к которым фиксировалось возможное перемещение источника радиошума. Вся эта серия опытов позволила в конечном итоге идентифицировать положение источника с наблюдаемыми в каждый момент времени суток и года положениями на небосводе Млечного Пути.

Характерно, что в последнем шаге исследований К.Янского уже была четко обозначена предметная структура наблюдения, в  рамках которой изучаемый эффект (радиошум) был представлен как  радиоизлучение Млечного Пути. Было выделено начальное состояние объекта  эмпирического знания - положение источника радиошума на небесном своде в момент T1, конечное состояние - положение источника в момент T2 и приборная ситуация (в качестве средств исследования фиксировались: небесный свод с выделенным на нем расположением звезд, линия горизонта, Земля, вращение которой обеспечивало изменение положений радиоисточника по отношению к наблюдателю, и наконец, приборы - регистраторы радиоизлучения). Наблюдения с жестко фиксированной структурой названного типа позволили раскрыть природу случайно обнаруженного эффекта радиоизлучения Млечного Пути.

Таким образом, путь от случайной регистрации  нового явления к выяснению основных условий его возникновения и  его природы проходит через серию  наблюдений, которые отчетливо предстают  в качестве квазиэкспериментальной деятельности.

Важно обратить внимание на следующее обстоятельство. Само осуществление систематических  наблюдений предполагает использование  теоретических знаний. Они применяются  и при определении целей наблюдения, и при конструировании приборной  ситуации. В примере с открытием  Янского систематические наблюдения были целенаправлены теоретическими представлениями о существовании разнообразных космических источников радиоизлучения. В примере с исследованием магнитного поля Галактики при конструировании приборной ситуации в явном виде использовались представления классической теории электромагнитного поля (рассмотрение поля как конфигурации силовых линий, применение законов поляризации света и т.п.).

Все это означает, что наблюдения не являются чистой эмпирией, а несут  на себе отпечаток предшествующего  развития теорий.

В еще большей мере это относится  к следующему слою эмпирического  познания, на котором формируются  эмпирические зависимости и факты.

Процедуры перехода к эмпирическим зависимостям и фактам

Переход от данных наблюдения к эмпирическим зависимостям и научному факту предполагает элиминацию из наблюдений содержащихся в них субъективных моментов (связанных  с возможными ошибками наблюдателя, случайными помехами, искажающими протекание изучаемых явлений, ошибками приборов) и получение достоверного объективного знания о явлениях.

Такой переход предполагает довольно сложные  познавательные процедуры. Чтобы получить эмпирический факт, необходимо осуществить  по меньшей мере два типа операций. Во-первых, рациональную обработку  данных наблюдения и поиск в них  устойчивого, инвариантного содержания. Для формирования факта необходимо сравнить между собой множество  наблюдений, выделить в них повторяющиеся  признаки и устранить случайные  возмущения и погрешности, связанные  с ошибками наблюдателя. Если в процессе наблюдения производится измерение, то данные наблюдения записываются в виде чисел. Тогда для получения эмпирического  факта требуется определенная статистическая обработка результатов измерения, поиск среднестатистических величин  в множестве этих данных.

Если  в процессе наблюдения применялись  приборные установки, то наряду с  протоколами наблюдения всегда составляется протокол контрольных испытаний  приборов, в котором фиксируются  их возможные систематические ошибки. При статистической обработке данных наблюдения эти ошибки также учитываются, они элиминируются из наблюдений в процессе поиска их инвариантного  содержания.

Поиск инварианта как условия формирования эмпирического факта свойствен  не только естественно-научному, но и социально-историческому познанию. Скажем, историк, устанавливающий хронологию событий прошлого, всегда стремится выявить и сопоставить множество независимых исторических свидетельств, выступающих для него в функции данных наблюдения.

Во-вторых, для установления факта необходимо истолкование выявляемого в наблюдениях  инвариантного содержания. В процессе такого истолкования широко используются ранее полученные теоретические  знания.

Рассмотрим  две конкретные ситуации, иллюстрирующие эту роль теоретических знаний при  переходе от наблюдений к факту.

Известно, что одним из важных физических открытий конца XIX века было обнаружение катодных лучей, которые (как выяснилось в  ходе дальнейших исследований) представляют собой поток электронов. Экспериментируя  с катодными лучами, У. Крукс зарегистрировал их отклонение под воздействием магнита. Полученные в этом опыте данные наблюдения были интерпретированы им как доказательство того, что катодные лучи являются потоком заряженных частиц. Основанием такой интерпретации послужили теоретические знания о взаимодействии заряженных частиц и поля, почерпнутые из классической электродинамики. Именно их применение привело к переходу от инварианта наблюдений к соответствующему эмпирическому факту.

Не  менее показательным в этом отношении  является открытие в астрономии таких  необычных космических объектов, как пульсары.

Летом 1976 года аспирантка известного английского  радиоастронома Э. Хьюиша, мисс Белл, случайно обнаружила на небе радиоисточник, который излучал короткие радиоимпульсы. Многократные систематические наблюдения позволили установить, что эти импульсы повторяются строго периодически, через 1,33 сек. Первая интерпретация этого инварианта наблюдений была связана с гипотезой об искусственном происхождении сигнала, который посылает сверхцивилизация. Вследствие этого наблюдения засекретили, и почти полгода о них никому не сообщалось.

Затем была выдвинута другая гипотеза о  естественном происхождении источника, подкрепленная новыми данными наблюдений (были обнаружены новые источники  излучения подобного типа). Эта  гипотеза предполагала, что излучение  исходит от маленького, быстро вращающегося тела. Применение законов механики позволило вычислить размеры  данного тела - оказалось, что оно  намного меньше Земли. Кроме того, было установлено, что источник пульсации  находится именно в том месте, где более тысячи лет назад  произошел взрыв сверхновой звезды. В конечном итоге был установлен факт, что существуют особые небесные тела - пульсары, являющиеся остаточным результатом взрыва сверхновой звезды.

Установление  этого эмпирического факта потребовало  применения целого ряда теоретических  положений (это были сведения из области  механики, электродинамики, астрофизики  и т.д.).

В обоих рассмотренных случаях  факт был получен благодаря интерпретации  данных наблюдения. Эту процедуру  не следует путать с процессом  формирования теории, которая должна дать объяснение полученному факту.

Установление  факта, что катодные лучи являются электрически заряженными частицами, не является еще теорией, точно так же как  факт обнаружения пульсаров не означал, что построена теория пульсаров.

Самое важное, что такая теория ко времени  открытия пульсаров уже была создана. Это была теория нейтронных звезд, построенная  нашим соотечественником, физиком  Л.Д.Ландау. Однако пульсары были обнаружены независимо от этой теории, и сами первооткрыватели нового астрономического объекта никак  не ассоциировали свое открытие с  теорией нейтронных звезд. Понадобилось время, чтобы отождествить пульсары с нейтронными звездами, и только после этого новые факты получили теоретическое объяснение.

Но  тогда возникает очень сложная  проблема, которая дискутируется  сейчас в методологической литературе: получается, что для установления факта нужны теории, а они, как  известно, должны проверяться фактами. Эта проблема решается только в том  случае, если взаимодействие теории и  факта рассматривается исторически. Безусловно, при установлении эмпирического  факта использовались многие полученные ранее теоретические законы и  положения. Для того, чтобы существование  пульсаров было установлено в  качестве научного факта, потребовалось  принять законы Кеплера, законы термодинамики, законы распространения света - достоверные  теоретические знания, ранее обоснованные другими фактами. Иначе говоря, в  формировании факта участвуют теоретические  знания, которые были ранее проверены  независимо. Что же касается новых  фактов, то они могут служить основой  для развития новых теоретических  идей и представлений. В свою очередь  новые теории, превратившиеся в достоверное  знание, могут использоваться в процедурах интерпретации при эмпирическом исследовании других областей действительности и формировании новых фактов.

Таким образом, 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.

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 теоретические законы в качестве следствий, выводимых из фундаментальных законов теории.