Методы теоретического исследования
На теоретическом этапе используются мысленный эксперимент, идеализация, формализация, аксиоматический, гипотетико-дедуктивный методы, метод восхождения от абстрактного к конкретному, а также методы исторического и логического анализа.
Идеализация – метод исследования, состоящий в мысленном конструировании понятий об объектах, не существующих в действительности, но обладающих определенными чертами реальных объектов. По сути, идеализация представляет собой разновидность процедуры абстрагирования, конкретизированной с учетом потребностей теоретического исследования. Результатом данного метода является конструирование теоретических (идеализированных) объектов.
Формирование идеализаций может идти разными путями:
- последовательно осуществляемое многоступеньчатое абстрагирование (так, получаются объекты математики – плоскость, прямая, точка и т.д.);
- вычленение и фиксация некоего свойства изучаемого объекта в отрыве от всех других: идеальные объекты естественных и социально-гуманитарных наук, например, «материальная точка» (обладающее массой тело, размером и вращением которого можно пренебречь), «идеальный газ» (математическая модель газа, взаимодействие между молекулами которого пренебрежимо мало), «абсолютно черное тело» (тело, поглощающее все падающее на него электромагнитное излучение и ничего не отражающее), «инерция» (свойство тел оставаться в некоторых системах отсчета в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения в отсутствие внешних воздействий), «инфляция» (повышение общего уровня цен на товары и услуги), «спрос» (зависимость между ценой и количеством товара, который покупатели могут приобрести за определенную цену в определенный промежуток времени), «цена» (количество денег, в обмен на которые продавец готов продать единицу товара), «бюрократия» (организация чиновников административного аппарата для исполнения государственной политики).
Эффективность проведения идеализации:
- идеализированные объекты моделируют наиболее существенные отношения в реальных предметах;
- идеализированные объекты гораздо проще реальных объектов; ко многим из них можно применить математические методы описания;
- благодаря идеализации процессы рассматриваются в их наиболее чистом виде, без случайных привнесений извне, что открывает пути к выявлению законов, по которым эти процессы протекают;
- идеализированный предмет в отличие от реального характеризуется не бесконечным, а вполне определенным числом свойств и потому исследователь получает возможность полного интеллектуального контроля над ним.
Плодотворность идеализации проверяется в результате эмпирических исследований, в особенности эксперимента, в ходе которых осуществляется соотнесение теоретических идеализированных объектов с реальными явлениями и процессами.
Моделирование – метод исследования, при котором изучение объекта (оригинала) осуществляется посредством создания и исследования его копии (модели), замещающей оригинал с определенных сторон, интересующих исследователя.
Суть данного метода состоит в том, что сконструированные в ходе идеализации теоретические (идеализированные) объекты образуют теоретическую (идеализированную) модель (схему).
В философско-методологической литературе наиболее четкое, ставшее общепринятым определение теоретической модели предложил В.А. Штофф: “Под моделью понимается такая мысленно представляемая или материально реализованная система, которая, отображая или воспроизводя объект исследования, способна замещать его так, что ее изучение дает нам новую информацию об этом объекте”. В этом определении зафиксированы сущностные черты метода моделирования:
1) наличие объекта-посредника, замещающего оригинал;
2) объект-посредник должен находиться с оригиналом в отношении отображения, т.е. существенного сходства;
3) изучение объекта-посредника должно быть эвристически плодотворно: оно должно приносить новую информацию об исходном объекте.
Возможность моделирования, т.е. переноса результатов, полученных в ходе построения и исследования моделей, на оригинал, основана на том, что модель в определенном смысле воспроизводит какие-либо его стороны.
Метод моделирования применяется в тех ситуациях, когда по какой-либо причине исследователю предпочтительно заменить непосредственное изучение исходного объекта его моделью. Это ситуации, в которых прямое манипулирование с оригиналом либо крайне затруднительно, либо неэффективно, либо вообще невозможно. Такие случаи достаточно распространены в современной науке. Примерами ситуаций, в которых показано применение моделирования, могут служить:
1) многие виды медико-биологических исследований, объектом которых должен служить человек, что недопустимо по этическим причинам;
2) технические испытания различных дорогостоящих объектов: судов, самолетов, зданий и т.п. (которые вполне могут быть заменены моделями-макетами, воспроизведением отдельных частей);
3) недоступные во времени или в пространстве объекты и процессы (удаленные космические тела, процессы далекого прошлого);
4) отсутствие возможностей изучить объект целиком (массовые явления, которые подлежат изучению лишь на выборочных примерах).
Процесс моделирования включает в себя следующие этапы:
1) Построение модели (целью этого этапа является создание условий для полноценного замещенияоригинала объектом-посредником, воспроизводящим его необходимые параметры, при осознании невозможности или нецелесообразности прямого изучения объекта).
2) Изучение модели (характер и специфика изучения зависит от необходимости решения конкретной задачи; здесь может происходить мысленный (модельный) эксперимент, описание, измерение характеристик модели; итогом выступает получение требуемой информации о модели).
3) Экстраполяция – перенос полученных данных на область знаний об исходном объекте, т.е. интерпретация полученных знаний о модели, оценка их приемлемости и непосредственное применение их к оригиналу, позволяющее в случае успеха решить исходную познавательную задачу.
Необходимо выделить основные виды моделирования:
1) Предметное моделирование – моделирование, в ходе которого исследование ведется на модели, воспроизводящей определенные физические, геометрические и пр. характеристики оригинала. Данный вид моделирования имеет несколько разновидностей:
- макетное моделирование – представление объекта в наглядной форме и обычно в уменьшенном размере, передающем пространственные свойства объекта, его внешний вид, соотношение и взаимосвязь частей (макеты, используемые как пособия в музеях, в учебных заведениях и т.п.);
- физическое моделирование – построение моделей для экспериментального изучения различных физических явлений, основанных на их физическом подобии; метод состоит в создании физической модели явления в уменьшенных масштабах и проведении экспериментов на этой модели, выводы и данные которых распространяются затем на явление в реальных масштабах (некоторые примеры применения метода физического моделирования: гидродинамические исследования на уменьшенных моделях кораблей, гидротехнических сооружений и т.п.; изучение устойчивости сложных конструкций, под воздействием сложных силовых нагрузок; измерение тепловых потоков и рассеивания тепла в устройствах и системах, работающих в условиях больших тепловых нагрузок; изучение стихийных явлений и их последствий).
- предметно-математическое моделирование – исследование физического процесса путем опытного изучения какого-либо явления иной физической природы, но описываемого теми же математическими соотношениями, что и моделируемый процесс (например, механические и электрические колебания относятся к различным формам движения материи, но они могут быть описаны одними и теми же дифференциальными уравнениями; поэтому с помощью изучения механических колебаний можно моделировать электрические процессы и наоборот).
2) Знаковое моделирование – моделирование, при котором моделями служат схемы, чертежи, формулы, предложения естественного или искусственного языка и т.д. Поскольку действия со знаками есть одновременно действия с некоторыми мыслями, постольку всякое знаковое моделирование по своей сути является моделированием мысленным. Знаковое моделирование, осуществляемое математическими или логическими средствами, называется абстрактно-математическим или абстрактно-логическим моделированием. Символический язык математики позволяет выражать свойства, стороны, отношения объектов самой различной природы. Взаимосвязи между различными величинами, описывающими функционирование изучаемого объекта, выражается соответствующими уравнениями. Если в случае предметного моделирования новое знание получается в результате экспериментального исследования модели, то в случае математического моделирования опытное исследование заменяется логическим анализом и новое знание получается дедукцией из исходного описания модели.
Мысленный эксперимент – метод, заключающийся в получении нового или проверке имеющегося знания путем манипулирования теоретическими (идеализированными) объектами и моделями в искусственно задаваемых ситуациях. Данный метод формируется на основе идеализации и моделирования. Модель при этом оказывается воображаемым объектом, преобразуемым в соответствии с правилами, пригодными для данной ситуации. Недоступные практическому эксперименту состояния раскрываются с помощью его продолжения – мысленного эксперимента.
Мысленный эксперимент, замещая в некотором роде реальный, служит его продолжением и развитием. Он используется там, где реальное экспериментирование затруднительно или невозможно; позволяет исследовать ситуации, не реализуемые практически, хотя и принципиально возможные. Поскольку мысленный эксперимент протекает в идеальном плане, особую роль в обеспечении реальной значимости его результатов играет корректность форм мысленной деятельности. При этом очевидно, что мысленное экспериментирование подчиняется логическим законам. Нарушение логики в оперировании образами в мысленном эксперименте ведет к его разрушению. Таким образом, мысленный эксперимент отличается от реального эксперимента, с одной стороны, своей идеальностью, а с другой присутствием в нем элементов воображения как базиса оценки идеальных конструкций.
Образцы самодостаточного мысленного эксперимента были представлены в научном творчестве Г. Галилея при обосновании принципа относительности:
Вот как выглядела первая формулировка принципа относительности.
«Уединитесь с кем-либо из друзей в просторное помещение под палубой какого-нибудь корабля, запаситесь мухами, бабочками и другими подобными мелкими летающими насекомыми; пусть будет у вас там также большой сосуд с водой и плавающими в нем маленькими рыбками; подвесьте далее наверху ведерко, из которого вода будет капать капля за каплей в другой сосуд с узким горлышком, подставленный внизу. Пока корабль стоит неподвижно, наблюдайте прилежно, как мелкие летающие животные с одной и той же скоростью движутся во все стороны помещения; рыбы, как вы увидите, будут плавать безразлично во всех направлениях; все падающие капли попадут в подставленный сосуд, и вам, бросая другу какой-нибудь предмет, не придется бросать его с большей силой в одну сторону, чем в другую, если расстояния будут одни и те же; и если вы будете прыгать сразу двумя нотами, то сделаете прыжок на одинаковое расстояние в любом направлении. Прилежно наблюдайте все это, хотя у нас не возникает никакого сомнения в том, что, пока корабль стоит неподвижно, все должно происходить именно так. Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью, и тогда (если только движение будет равномерным и без качки в ту и другую сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите не малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется ли корабль или стоит неподвижно. И причина согласованности всех этих явлений в том, что движение корабля обще всем находящимся в нем предметам, так же как и воздуху; поэтому-то я и сказал, что вы должны находиться под палубой».
Эти рассуждения Галилея теперь резюмированы так: инерциальное движение системы не оказывает влияния на происходящие в ней механические процессы. Или еще короче: во всех инерциальных системах механические явления происходят одинаково.
Также Галилей провёл мысленный эксперимент, опровергающий мнение, что тяжёлые тела падают быстрее лёгких:
«Представим пушечное ядро и мушкетную пулю. Если считать, что тяжёлые тела падают быстрее лёгких, то ядро должно падать с большей скоростью. Теперь представим, что ядро и пуля были соединены перемычкой и образовали новый, ещё более тяжёлый предмет. Он тяжелее, и следовательно должен падать быстрее, чем пушечное ядро. Но одновременно он должен падать медленнее, чем пушечное ядро, так как лёгкая мушкетная пуля должна тормозить движение тяжёлого ядра. Обнаруживается противоречие, из которого можно сделать вывод, что все тела падают с одинаковым ускорением».
В сфере социально-гуманитарного знания в качестве иллюстрации можно рассмотреть мысленный эксперимент, проводимый на модели, построенной К.Марксом и позволившей ему основательно исследовать капиталистический способ производства середины ХIХ века (включены такие идеализированные объекты как «товар», «стоимость», «деньги», «спрос», «предложение»). Построение этой модели было связано с рядом идеализирующих допущений. В частности, было предположено, что в экономике отсутствует монополия; отменены всякие установления, препятствующие перемещению рабочей силы из одного места или из одной сферы производства в другую; труд во всех сферах производства редуцирован к простому труду; норма прибавочной стоимости одинакова во всех сферах производства; среднее органическое строение капитала во всех отраслях производства одинаково; спрос на каждый товар равен его предложению; длительность рабочего дня и денежная цена рабочей силы постоянны; сельское хозяйство осуществляет производство так же, как и любая иная отрасль производства; отсутствует торговый и банковый капитал; экспорт и импорт сбалансированы; существуют только два класса – капиталистов и наемных рабочих; капиталист постоянно стремится к максимальной прибыли, действуя при этом всегда рационально. В результате получилась модель некоего “идеального” капитализма. Мысленное экспериментирование с ней позволило сформулировать законы капиталистического общества, в частности, важнейший из них – закон стоимости, согласно которому производство и обмен товаров совершаются на основе затрат общественно необходимого труда.
В современной науке для осуществления моделирования и проведения мысленного эксперимента активно применяется вычислительный эксперимент – эксперимент, осуществляемый на основе компьютерных технологий. Сущность вычислительного эксперимента состоит в том, что проводится эксперимент над некоторой математической моделью объекта при помощи компьютера. Главное преимущество использования компьютерных технологий состоит в том, что с их помощью при исследовании весьма сложных систем удается глубоко проанализировать не только их наличные, но и возможные, в том числе будущие состояния. По одним параметрам модели вычисляются другие ее характеристики и на этой основе делаются выводы о свойствах явлений, представленных математической моделью.
Необходимо выделить основные этапы вычислительного эксперимента:
1) построение математической компьютерной модели изучаемого объекта в тех или иных условиях (как правило, она представлена системой уравнений высокого порядка);
2) определение вычислительного алгоритма решения базовой системы уравнений;
3) построение программы реализации поставленной задачи на компьютере.
Вычислительный эксперимент на основе накопленного опыта математического моделирования, банка вычислительных алгоритмов и программного обеспечения позволяет быстро и эффективно решать задачи практически в любой области математизированного научного знания. Логичность и формализованность компьютерных моделей позволяют выявить основные факторы, определяющие свойства изучаемого объекта-оригинала (или целого класса объектов).
Вычислительный эксперимент широко используется в физике, астрофизике, механике, химии, биологии, экономике, социологии, метеорологии, технических науках.
Формализация – метод исследования, в основе которого лежит отображение содержательного знания в знаково-символическом виде (формализованном языке). При формализации рассуждения об объектах переносятся в плоскость оперирования со знаками (формулами), что связано с построением искусственных языков. Использование специальной символики позволяет устранить многозначность и неточность, образность слов естественного языка. В формализованных рассуждениях каждый символ строго однозначен. Формализация служит основой для процессов алгоритмизации и программирования вычислительных устройств, а тем самым и компьютеризации знания.
Главное в процессе формализации состоит в том, что над формулами искусственных языков можно производить операции, получать из них новые формулы и соотношения. Тем самым операции с мыслями заменяются действиями со знаками и символами (границы метода).
Аксиоматический метод – способ построении научной теории, при котором за ее основу принимаются некоторые положения, не требующие специального доказательства (аксиомы или постулаты), из которых все остальные положения выводятся при помощи формально-логических доказательств. Совокупность аксиом и выведенных на их основе положений образует аксиоматически построенную теорию, включающую в себя абстрактные знаковые модели.
Построение аксиоматической системы начинается с выявления в составе некоторой содержательной концепции ее первоначальных фундаментальных понятий, которым можно придать статус неопределяемых. Выбираются также исходные утверждения теории, которые принимаются без доказательства и которым придается статусаксиом. В естественно-научных теориях в роли аксиом, как правило, выступают их главные принципы, базисные допущения, основные законы. Далее фиксируются допустимые правила рассуждений, согласно которым из одних положений можно логически выводить другие; они обычно совпадают с правилами дедуктивного вывода, хорошо изученными в логике. Поэтому логическое исчисление тоже является обязательной частью аксиоматической системы.
Современный аксиоматический метод приобрел абстрактную направленность. Если у Евклида аксиомами служили интуитивно-истинные положения, а сама теория была проинтерпретирована единственным, естественным образом, то с современных позиций аксиома — это не самоочевидное положение, а любое соглашение, которому сознательно дается статус аксиомы как начального, не подлежащего обоснованию утверждения. Это означает, что исходные соглашения могут быть и весьма далекими от наглядности.
Данный метод широко применяется в математике, а также в тех естественных науках, где применяется метод формализации. (Ограниченность метода).
Гипотетико-дедуктивный метод – способ построения научной теории, в основе которого лежит создание системы взаимосвязанных гипотез, из которых затем путем дедуктивного развертывания выводится система частных гипотез, подлежащая опытной проверке. Тем самым этот метод основан на дедукции (выведении) заключений из гипотез и других посылок, истинное значение которых неизвестно. А это значит, что заключение, полученное на основе данного метода, неизбежно будет иметь вероятностный характер.
Структура гипотетико-дедуктивного метода:
1) выдвижение гипотезы о причинах и закономерностях данных явлений с помощью разнообразных логических приемов;
2) оценка основательности гипотез и выбор из их множества наиболее вероятной;
3) выведение из гипотезы дедуктивным путем следствий с уточнением ее содержания;
4) экспериментальная проверка выведенных из гипотезы следствий. Тут гипотеза или получает экспериментальное подтверждение или опровергается. Однако подтверждение отдельных следствий не гарантирует ее истинности или ложности в целом. Лучшая по результатам проверки гипотеза переходит в теорию.
Метод исторического и логического анализа. Исторический подход предполагает изучение возникновения, формирования, развития объектов. Сразу же следует подчеркнуть, что исторический подход используется не только в истории. Это один из общенаучных методов. Примерами могут служить геология, медико-биологические науки (например, сравнительная анатомия), астрономия, языкознание, психология и др.
Метод исторического и логического анализа включает в себя две составляющие:
1) конкретно-историческая составляющая. Это предписание изучения и теоретического воспроизведения истории того или иного объекта (явления, процесса) во всем ее многообразии, полноте взаимосвязей, богатстве конкретных проявлений и оттенков.
2) Логическая реконструкция. Она предполагает выявление некоей исторической закономерности в чистом виде, не обращаясь в полной мере непосредственно к самой эмпирической истории, а реконструирует эту закономерность на основе каких-либо теоретических предпосылок.