Выдвижение и проверка научной гипотезы

 

Научная идея – это такая форма мысли, которая обычно представляет собой новое объяснение явления или пути решения поставленной задачи. Свою специфическую «материализацию», вербальное словесное выражение идеи представляет и гипотеза. Без гипотезы нельзя приступать к исследованиям, так как неизвестно как их вести, какие теоретические и экспериментальные средства необходимы для решения того или иного вопроса.

Гипотезы создаются для подробного решения возникающих в науке проблем. Отношение к гипотезам в научном мире и в разные времена менялось диаметрально. В эпоху Возрождения и Нового времени к гипотезам относили различные натурфилософские предположения и спекулятивные построения, когда для объяснения реальных физических и других процессов предусматривались разного рода скрытые силы, невесомые жидкости, флогистон и т. п.

Видимо это обстоятельство вынудило великого Исаака Ньютона публично заявить, что гипотез он не измышляет (hypothesis non fingo). Между тем, в своём фундаментальном труде «Математические начала натуральной философии» он фактически пользуется гипотезами в современном их понимании. Более того, он впервые использовал аксиоматический аппарат античных греков для построения теоретической механики. Этот метод сам И. Ньютон назвал методом принципов, а теперь его называют гипотетико-дедуктивным, так как в нём в качестве аксиом используются принципы или гипотезы, отражающие существенные свойства и отношения явлений и процессов изучаемой области действительности.

Пытался избегать гипотез в науке и Пьер Лаплас, о котором его ученик и биограф писал: «Наш знаменитый соотечественник никогда и ничего не предлагал неопределённого, все явления природы объяснял он строго математически; ни один физик, ни один геометр так решительно не остерегался духа гипотез; никто более его не боялся учёных ошибок, происходящих от воображения, не приведённого в пределы фактов, вычислений и аналогии. Один раз, только один раз, подобно Кеплеру, Декарту, Лейбницу, Бюффону, Лаплас вступил в область гипотез, относящихся к космогонии».

Прямо противоположные точки зрения высказывают Б. Паскаль, А. Эйнштейн, Э. Резерфорд, Н. Бор, М. В. Ломоносов, Д. И. Менделеев. Так, М. В. Ломоносов, говоря о гипотезах, указывал, что они представляют собой единственный путь, которым люди дошли до «открытия самых важных истин». Д. И. Менделеев о гипотезах писал: «Они науке и особенно её изучению необходимы. Они дают стройность и простоту, каких без их допущения достичь трудно.

Вся история наук это доказывает, поэтому смело можно сказать: лучше держаться такой гипотезы, которая может стать со временем неверною, чем никакой. Гипотезы облегчают и делают правильной научную работу – отыскания истины, как плуг земледельца облегчает выращивание полезных растений». Разница в восприятии гипотез объясняется тем, что в это понятие вкладывался различный смысл.

И. Ньютон и П. Лаплас опасались околонаучных, порой догматических измышлений. С другой стороны, гипотеза действительно содержит желания, субъективизм того, кто создаёт её, заключения гипотез имеют лишь вероятностный характер, а история знает много случаев выдвижения скороспелых гипотез, которые не имели под собой прочного фундамента, покоились исключительно на силе человеческого воображения. Более того, очень часто гипотезы принимались за действительно научные результаты.

В связи с этим гипотезы особенно необходимы именно к начальным этапам работы, и часто сравниваются либо с фонарём, освещающим направление возможного развития, либо с рыбацкой сетью. Разумеется, не каждый заброс сети даёт улов, но, не забрасывая её, вообще ничего поймать нельзя.

К. А. Тимирязев считал, что гипотеза, даже ложная, приносит свою пользу: «в случае её опровержения остаётся одним возможным объяснением менее, ограничивается число остающихся объяснений, суживается круг, приближающий нас к единственному центру – к истине».

Иногда исследователь строит не одну, а несколько гипотез и проверяет каждую из них. В процессе исследований он одну отбрасывает, как несоответствующую действительности, вероятность других, наоборот, возрастает, и так продолжается до тех пор, пока он не остановится на одной какой-либо гипотезе, которая наиболее вероятна и объясняет все имеющиеся факты.

При выдвижении гипотез руководствуются определёнными требованиями, чтобы повысить их эффективность.

1. Релевантность гипотезыпредставляет собой предварительное условие для признания её допустимой в науке. Термин «релевантность» (от английского relevant – уместный, относящийся к делу) характеризует отношение гипотезы к фактам, на которых она основывается. Если эти факты подтверждают или опровергают гипотезу, то она считается релевантной к ним. Поскольку любая гипотеза выдвигается для объяснения фактов известных и предсказания неизвестных, то и иррелевантная, безразличная к ним гипотеза не будет представлять никакого научного интереса.

2. Проверяемость гипотезыв прикладных, во всяком случае, науках всегда связана, в конечном итоге, с возможностью сопоставления её следствий с результатами наблюдений или экспериментов. Речь, конечно, идёт о принципиальной возможности такой проверки.

Дело в том, что немедленная проверка не всегда возможна из-за несовершенства техники, необходимой для этого. Особенно часто это случается со сложными даже для современного инструментария физическими и математическими гипотезами. Так Н. И. Лобачевский, создатель неевклидо-вой геометрии, стремился убедить современников что его «воображаемая» геометрия может реализоваться в окружающем пространстве. Сообщают, что Карл Гаусс даже предпринял специальные измерения углов треугольника, образованных тремя горными вершинами, но не обнаружил отклонений от евклидовой геометрии. Аналогичная участь постигла гипотезу Альберта Эйнштейна о существовании гравитонов – частиц поля тяготения и др.

Но без экспериментальной проверки гипотезы не могут переходить в разряд истинных знаний.

3. Совместимость гипотез с существующим научным знанием.

4. Объяснительная и предсказательная сила гипотез.

Большое значение для подтверждения гипотезы имеет обнаружение новых фактов на её основе. Нахождение таких фактов не только увеличивает вероятность состоятельности гипотез, но при определённых условиях превращает их из гипотез в теорию.

Так произошло с гипотезой о строении Солнечной системы Николая Коперника, которая в течение трёхсот лет оставалась лишь в высокой степени вероятной, но всё-таки гипотезой. Когда же Урбен Леверье на основании этой системы не только доказал, что должна быть ещё одна, неизвестная до тех пор планета (Нептун), но и определил с помощью вычислений место, занимаемое ею в небесном пространстве, и когда после этого Иоганн Галле действительно нашёл эту планету, система Н. Коперника была доказана. Аналогичным примером является нахождение новых химических элементов, предсказанных периодической таблицей Д. И. Менделеева.

5. Критерий простоты гипотезсостоит, главным образом, в том, что для её обоснований нужно меньше исходных трудно доказуемых или априорных посылок. С этой точки зрения геометрия Н. И. Лобачевского проще геометрии Эвклида, гелиометрическая гипотеза Н. Коперника проще геоцентрической К. Птолемея.

 

Процесс генерирования новых научных идей и гипотез представляет собой самую трудную и творческую стадию научного поиска, в котором решающую роль играют интуиция, воображение и талант учёного. Именно поэтому этот процесс не поддаётся алгоритмизации и точному логическому анализу. Когда же новая гипотеза будет найдена и точно сформулирована, её дальнейшая разработка ведётся с помощью рациональных теоретических и экспериментальных методов исследования.

Во всех научных школах большое внимание уделяют развитию способностей выдвижения и обоснования идей, решения тех или иных задач, т. е. построения гипотез.

Считают, что история становления эвристики (от возгласа Архимеда – «Эврика», когда он нашёл способ определения количества золота и серебра в знаменитой жертвенной Гиероновой короне) началась с Сократа, который ставил себе целью преподать не готовую систему знаний, а метод, с помощью которого можно эту систему создавать. В беседах и дискуссиях со своими учениками и собеседниками он, ставя наводящие вопросы, стимулировал пробуждение скрытых (латентных) творческих способностей людей, рождения ими продуктивных идей. Метод этот назвали майевтикой Сократа. Дословно это означает «акушерское искусство», что достаточно метко выражает его суть.

В IV веке до н. э., который называют веком Платона, научная жизнь концентрировалась вокруг него и созданной им Академии. Платон в своих знаменитых диалогах использовал при доказательствах истины обнаружения противоречий во мнениях собеседников. Часто этот метод называют диалектическим.

В средние века относительное развитие получила логика, которая преподавалась даже в монастырских школах. Более основательно она изучалась в появившихся в XII веке университетах. Тон этому задавал Парижский университет, который называли Новыми Афинами.

Видный логик того времени Раймонд Луллий известен как создатель первой логической машины, позволявшей свести получение простейших дедуктивных заключений к чисто механическому процессу. Эта идея вдохновила молодого Готфрида Лейбница создать «алфавит мыслей», который послужил толчком к замене рассуждений вычислениями, в дальнейшем способствовал возникновению математической логики, а в наше время – к исследованиям по созданию искусственного интеллекта.

Из английской Оксфордской школы вышел выдающийся представитель средневековой философии и естествознания Роджер Бэкон. Исторической заслугой являются даже не многие его изобретения, а настойчивая защита и обоснование принципа соединения опытного исследования природы с рациональным мышлением.

К сожалению, полноценным естественнонаучным методом исследования эксперимент смог стать лишь 2,5 столетия спустя, и связан с именами Галилео Галилея и Френсиса Бекона (1600 год). Галилео Галилей по праву считается основоположником этого метода, так как именно ему удалось впервые применить эксперимент при создании основ новой науки – механики, причём, он соединил его с математикой и ввёл количественные методы измерения при обосновании и проверке своих гипотез и математических моделей. Прежде всего, ему удалось опровергнуть широко распространённое в античной и средневековой науке представление о движении. И сделал он это просто и блестяще, использовав так называемый «мысленный эксперимент», ставший очень эффективным методом при создании гипотез и моделей.

Согласно аристотелевской физике совершенным являлось круговое движение, а само движение требует постоянного воздействия силы. На первый взгляд так и кажется: если сила перестанет действовать, то движущееся тело сразу остановится. Галилей предложил уменьшить силу трения, и тогда тело до остановки пройдёт больший путь. Если уменьшить сопротивление воздуха, то этот путь будет ещё больше. Продолжая эти операции мысленно, вполне можно представить, что без воздействия внешних сил тело будет двигаться равномерно неограниченно долго. Это заключение подтвердило мнение известнейшего механика древнего мира Герона Александрийского о том, что для приведения в движение тяжёлого тела, покоящегося на гладкой горизонтальной плоскости, достаточно сколь угодно малой силы. Таким образом, трудами Герона и Галилея было сформировано понятие инерции.

В основу механики Галилей положил основные законы движения тел без учёта сил сопротивления, т. е. так называемую «пустотную механику». Установив такие законы, по замыслу Галилея, следует перейти к учёту поправок, учитывающих сопротивление среды. Прежде всего, на основе ряда опытов, приведённых с большой тщательностью, он пришёл к фундаментальному результату: «Если бы совсем устранить сопротивление среды, то все тела падали бы с одной скоростью».

Далее он переходит к определению законов движения при равноускоренном движении, при бросании тел в горизонтальной плоскости и под углом к горизонту, движении тел после соударений и др.

Интересен приём Галилея к изучению закономерности свободного падения тел. Прямой опыт с падением тяжёлого тела вдоль отвесной линии не мог дать Галилею надёжных результатов, так как не существовало достаточно точных методов измерения малых промежутков времени. Тогда он изучает процесс движения тяжёлого шара на наклонной плоскости при разных углах его наклона и как переход к пределу устанавливает, что путь, проходимый телом при падении, пропорционален квадрату времени.

Помимо невозможности точных измерений существовало в то время ещё одно весьма серьёзное затруднение. Теоретическим языком науки в то время была логика, а логика того времени использовала в основном дедуктивный метод, т. е. умозаключения от общего к частному. Широко известное часто цитируемое логическое построение этого рода: «Все люди смертны. Я – человек. Следовательно, я смертен». В науке приходится, к сожалению, отыскивать эти общие понятия, а экспериментально возможно лишь движение от частного к общему. Современник Г. Галилея, Френсис Бэкон в Англии разработал основные правила индуктивного метода в логике.

Выводы при индуктивном методе не столь точны, как при дедуктивном и носят вероятностный характер, а иногда есть риск ошибки. Популярным примером может быть обобщение «все лебеди – белые», оказавшееся неверным после обнаружения в Австралии чёрных лебедей. Тем не менее, индуктивный метод раскрывал широкую дорогу экспериментальным приёмам исследований, т. к. в естествознании чаще необходимо от частных наблюдений и измерений переходить к возможным обобщениям.

На высокое значение логики и в современной науке обращают внимание многие авторитеты. Лорд Годфри Элтон, например, отмечает, что «нет ничего более необходимого для человека науки, чем её история».

Очень распространённым способом становления гипотез являются аналогии. Обнаружив сходство изучаемого явления с теми, которые ранее были исследованы, закономерности которых установлены, учёный делает предположение о том, что в данном случае может существовать такой же тип закономерной связи. Основой такого предположения может быть закономерный характер развития материального мира, его материальное единство.

Полнота аналогии может зависеть от физических, технологических и других сходств, математического аппарата их описания, и, что немаловажно, – от накопленного багажа знаний.

Чарльз Дарвин в своё время отмечал, что за исключением теории образования коралловых рифов он не может вспомнить ни одной первоначально составленной гипотезы, которая не была бы через некоторое время отвергнута или сильно изменена, причём переход от неудачной гипотезы к полезной обычно и составляет творческую часть работы.

В современной науке применяются следующие способы поиска истины:

1) построение математической модели исследуемого процесса и явления с последующим сопоставлением получаемых результатов с практикой или данными экспериментов;

2) метод проб и ошибок;

3) выдвижение рабочих гипотез с помощью методов индукции, предшествующего опыта и интуиции исследователя.

Для составления гипотезы следует тщательно изучить всю имеющуюся литературу по проблеме и данные предшествующих исследований. Вся полученная информация должна быть критически осмыслена с целью выяснения того, что уже достигнуто и разработано, какие ещё остались неясности, противоречия и недоработки.

В гипотезе следует перечислить основные факторы, воздействующие на объект исследования, к числу которых относятся причины, условия и движущие силы, вызывающие изменения в нём, оценить степень влияния каждого фактора на объект. На этой основе формулируют предположительное объяснение всего процесса развития явления.

После этого в гипотезе выделяют наиболее важные причинно-следственные связи и решающие взаимодействия, прогнозируют ожидаемые направление и ход развития исследуемого объекта в результате варьирования ими.

Формулировка полученной гипотезы должна быть предельно краткой и ясной и содержать строгие, общепринятые в данной отрасли науки термины и понятия. Гипотеза может быть выражена в виде математических формул и графических изображений.