Теория и данные в науке

При описании деятельности Галилея, Ньютона и Дарвина я отметил, что основные компоненты современной науки - это частные наблюдения и экспериментальные данные и общие концепции и теории. Как теории соотносятся с данными? Со времен Бэкона и Милля индуктивисты полагали, что отправная точка для науки - наблюдения, а теории создаются путем их обобщения. Однако такие представления неадекватны, поскольку для создания теорий требуются также новые понятия и гипотезы, не основанные на данных; кроме того, теории зачастую имеют дело с объектами и взаимоотношениями, которые нельзя наблюдать непосредственно.

Новое понятие или соотношение зачастую вводится по аналогии с более известным понятием или соотношением, которые подвергаются некоторым усовершенствованиям и переработке. Часто такая аналогия развивается затем в концептуальную модель постулируемого объекта, который нельзя наблюдать непосредственно. Модель ведет к формулировке обобщенной и абстрактной теории. Например, модель бильярдных шаров предполагала существование невидимых частиц газа, которые сталкиваются друг с другом подобно бильярдным шарам. На основании этой модели была разработана кинетическая теория газов.

Чтобы теорию можно было использовать в науке, она должна быть проверена экспериментально. Теория предсказывает определенные результаты наблюдений. Такие гипотетически-дедуктивные представления обозначены идут от теории к наблюдению. Контекст открытия отличается от контекста его подтверждения. Если теория или гипотеза верна, то мы ожидаем определенных итогов наблюдений, хотя процесс размышления всегда подразумевает различные допущения, вспомогательные гипотезы и правила соотношений, связывающих теоретические и экспериментальные данные. В случае кинетической теории газов мы можем рассчитать изменение импульса гипотетических частиц при ударе о стенки сосуда. Допустив идеально упругое столкновение и пренебрежимо малый размер частиц, мы получим закон Бойля, связывающий давление с объемом газа. Подтверждение этих выводов позволяет нам принять теорию предположительно.

Гипотетически-дедуктивные взгляды доминировали в философии науки в 1950-х и начале 1960-х гг. Они подразумевают, что данные можно описать на языке наблюдений, свободном от теоретической нагрузки и что различные теории должны проверяться с помощью этих определенных и объективных данных. Хотя согласованность с данными еще не доказывает теорию (поскольку может оказаться, что и другие теории тоже с ними согласуются), тем не менее Карл Поппер и другие считали, что несогласованность с данными убедительно опровергает теорию. Однако изучение истории науки поставило это утверждение под сомнение.

В ряде случаев несогласующиеся данные можно привести в гармонию с теоретическими предположениями с помощью введения специальных вспомогательных гипотез. Первые противники астрономии Коперника были уверены, что гипотеза, согласно которой Земля вращается вокруг Солнца, неверна, потому что нет заметных ежегодных изменений положения ближайших звезд относительно далеких. Однако Коперник устранил это противоречие, предложив гипотезу (не подтверждавшуюся тогда независимыми свидетельствами), согласно которой все звезды слишком далеки, если сравнить расстояние до них с размером Солнечной системы. В других случаях теория оставалась неизменной, а противоречащие данные просто признавались необъяснимой аномалией. Ньютон в своих «Началах» принимал, что наблюдаемое движение апогея (самой удаленной точки) орбиты Луны при ее обращении вокруг Земли вдвое больше того, которое предсказывалось в его теории. В течение шестидесяти лет это противоречие, далеко выходившее за рамки возможных экспериментальных погрешностей, не могли объяснить, но оно никогда не использовалось для опровержения теории.

Мы никогда не можем проверить отдельно взятую теорию. Она должна рассматриваться как часть системы теорий. Если теория плохо согласуется с данными по какому-то пункту, то другие части системы обычно можно подстроить так, чтобы устранить это противоречие. Теории, оперирующие понятиями, выходящими за границы наблюдения, неоднозначно определяются данными. Обычно группа общепринятых теорий просто принимается как данность и считается несомненной, тогда как все внимание концентрируется на новой или спорной теории. Во многих научных дискуссиях соперничающие партии соглашаются по большинству общепринятых вопросов, и таким образом могут договориться о том, какие данные могут использовать обе стороны в качестве решающих для проверки соперничающих теорий. Однако в некоторых случаях две широкомасштабные теории используют различные методы интерпретации данных или соотносятся с различными группами данных, которые объясняются по-разному, и тогда простая экспериментальная проверка невозможна.

Более того, все факты теоретически обусловлены. Свободного от теоретической нагрузки языка наблюдений попросту не существует. Теории влияют на наблюдения по-разному (как показано в правой части диаграммы). Отбор явлений для исследования и выбор переменных, имеющий большое значение для измерений, также теоретически обусловлены. Форма задаваемых вопросов определяет тип ответов, которые мы получаем. Теории влияют и на использование оборудования, и на выбор языка для отчета о наблюдениях. Такой подход сильно отличается от эмпирического, при котором знание базируется на твердом основании неизменных фактов.

Кроме того, исследуемый объект может изменяться из-за самого процесса наблюдения. Мы увидим, что это составляет особую проблему для микромира квантовой физики и сложной сети экосистем. Выступая в качестве наблюдателей, мы не можем отстраниться от изучаемых объектов, а являемся частью взаимосвязанной системы.

Томас Кун доказывал, что научные данные в немалой степени зависят от доминирующих парадигм. Парадигма, как мы видели, представляет собой группу понятийных и методологических предположений, воплощенных в тех или иных научных теориях, например, в ньютоновой механике XVIII века или в теории относительности и квантовой физике XX века. Парадигма неявным образом устанавливает для данной научной общины вопросы, на которые могут быть получены ответы, и способы объяснения, которые стоит искать. На стандартных примерах студенты учатся, какие объекты существуют в мире и какие методы подходят для их изучения. Смена парадигмы - это «научная революция», «радикальная трансформация научного воображения», которая не определяется однозначно экспериментальными данными или обычными критериями исследования. Поэтому принятые парадигмы более устойчивы к изменениям, и опровергнуть их сложнее, нежели отдельные теории. Парадигмы создаются в рамках определенных исторических сообществ. Такой контекстуализм, историзм и релятивизм противостоит формализму и эмпиризму Поппера.

Существует четыре критерия оценки теорий при обычном научном исследовании:

1. Согласованность с данными. Это самый важный критерий, хотя он и не может служить точным доказательством истинности теории, поскольку другие, еще не разработанные, теории, могут не хуже или даже лучше согласовываться с данными. Теории всегда определяются данными. Но несогласованность с ними еще не доказывает ошибочность теории, поскольку специальные гипотезы и необъясненные аномалии могут сохраняться на протяжении неопределенного времени. Тем не менее, согласованность с данными и успех предсказаний, особенно новых, ранее не ожидавшихся явлений, служит впечатляющей поддержкой для теории.

2. Связность. Теория должна согласовываться с другими принятыми теориями и, если возможно, быть связанной с ними в концептуальном отношении. Ученые ценят также внутреннюю связность и простоту теории (простоту формальной структуры, наименьшее число независимых и специальных предположений, эстетическое изящество, симметрию и так далее).

3. Охват. Кроме того, критериями оценки теорий могут служить всесторонность и общность. Теория ценна, если она связывает воедино ранее разрозненные области, если она поддерживается разнообразными свидетельствами или применима к широкому кругу соответствующих переменных.

4. Плодотворность. Теория оценивается не просто с точки зрения ее прошлых достижений, но и с точки зрения ее нынешних возможностей и способности создать каркас для будущих исследовательских программ. Плодотворна ли теория для поддержки дальнейших теоретических разработок, для создания новых гипотез, для предложения новых экспериментов? Основное внимание обращается здесь на непрерывную исследовательскую деятельность научного сообщества, а не на конечный результат их работы.

В западной традиции существует три основных взгляда на истину. Сторонники первого из этих взглядов считают, что предположение истинно, если оно соответствует действительности. Это общепринятое понимание истины. Утверждение «идет дождь» истинно в том случае, если действительно идет дождь. Такую позицию занимает классический реализм, и она соответствует эмпирической стороне науки, определенной первым критерием: теория должна согласовываться с данными. Однако мы уже отмечали, что не существует свободных от теоретической нагрузки фактов, с которыми можно сравнить теорию. Многие теории постулируют ненаблюдаемые явления, которые лишь косвенно можно связать с наблюдаемыми данными. У нас нет прямого доступа к действительности, чтобы сравнить ее с нашими теориями. Сторонники связности полагают, что группа предположений истинна, если она является всесторонней и внутренне непротиворечивой. Таких взглядов придерживается рационалистическая и идеалистическая философия, и они соответствуют теоретической стороне науки. Мы уже говорили, что одна теория никогда не оценивается изолированно от остальных, но лишь как часть системы теорий, поэтому в расчет необходимо принимать не только связность, но и охват. Однако с такой позицией тоже связан ряд проблем, поскольку в одной области может быть несколько связных групп теорий. Кроме того, суждения о согласованности с данными отличаются по своему характеру от суждений о внутренней связности, и поэтому их нельзя приравнять друг к другу. Наконец, сама действительность более парадоксальна и менее логична, чем это представляется рационалистам. Третий, прагматический взгляд признает, что предположение истинно, если оно подтверждается практикой. Мы должны судить по последствиям. Плодотворна ли теория и наводит ли она на размышления? Полезна ли она для удовлетворения индивидуальных и общественных нужд и интересов? Идеи и теории служат руководством к действию в определенном контексте. Сторонники инструментализма и лингвистического анализа обычно отбрасывают вопрос об истине и говорят лишь о различных функциях языка. Однако они зачастую разделяют прагматический взгляд на научный язык. Некоторый прагматический элемент есть в тезисе Куна, что научное исследование решает проблемы лишь в определенном историческом контексте и в контексте определенной парадигмы. Эта сторона науки отражена в нашем последнем критерии, плодотворности. Тем не менее сам по себе он неадекватен, поскольку без дальнейшей проверки концепций с помощью других критериев, остается неясно, «работает» ли идея или она «полезна».

Истина должна соотноситься с действительностью. Но так как действительность как таковая для нас недоступна, критериями истины должны служить все четыре вышеуказанных пункта. Взятые вместе, они включают в себя все перечисленные взгляды на истину. На определенной стадии научного исследования, тот или иной критерий может быть важнее других. Поскольку в качестве определения истины принимается ее соответствие действительности, то мы имеем дело с некоторой формой реализма, но это - критический реализм, так как он сочетает различные критерии. В общем, наука не приводит к несомненным выводам. Ее заключения всегда неполны, предварительны и могут подвергаться пересмотру. Теории меняются со временем, и мы должны ожидать, что существующие теории будут изменяться или опровергаться, подобно предшествующим. Однако наука действительно дает нам надежные процедуры для проверки и оценки теорий на основании сочетания критериев.