История и эволюция научного метода

Введение

История научного метода рассматривает изменения в методологии научного исследования, в отличие от истории самой науки. Развитие правил научного рассуждения не было прямолинейным; научный метод был предметом интенсивных и повторяющихся дебатов на протяжении всей истории науки, и выдающиеся естествоиспытатели и ученые отстаивали приоритет того или иного подхода к установлению научного знания. Рационалистические объяснения природы, включая атомизм, появились как в Древней Греции в трудах Левкиппа и Демокрита, так и в Древней Индии, в школах Ньяя, Вайшешика и буддизма, в то время как материализм Чарваки отвергал умозаключения как источник знания в пользу эмпиризма, который всегда подвергался сомнению. Аристотель первым в Древней Греции разработал научный метод параллельно с эмпирической биологией и логикой, отвергая исключительно дедуктивную схему в пользу обобщений, основанных на наблюдениях природы. Некоторые из наиболее важных дебатов в истории научного метода сосредоточены вокруг: рационализма, особенно в представлении Рене Декарта; индуктивизма, который достиг особой значимости с Исааком Ньютоном и его последователями; и гипотетико-дедуктивного метода, который вышел на передний план в начале XIX века. В конце XIX и начале XX веков дебаты о реализме и антиреализме были центральными в обсуждении научного метода, поскольку мощные научные теории выходили за пределы наблюдаемого, а в середине XX века некоторые известные философы выступали против каких-либо универсальных правил науки в принципе.

Древний Египет и Вавилон

В сохранившихся записях ранних культур содержится немного явных обсуждений научных методологий. Большинство того, что можно заключить о подходах к научным исследованиям в этот период, основывается на описаниях ранних изысканий в области природы, представленных в сохранившихся источниках. Египетский медицинский учебник, папирус Эдвина Смита (ок. 1600 г. до н.э.), применяет следующие элементы: осмотр, диагностику, лечение и прогноз при лечении болезней, что демонстрирует сильное сходство с базовым эмпирическим методом науки и, по мнению Г. Э. Р. Ллойда, сыграло важную роль в развитии этой методологии. Папирус Эберса (ок. 1550 г. до н.э.) также содержит свидетельства традиционного эмпиризма. К середине I тысячелетия до н.э. в Месопотамии вавилонская астрономия превратилась в самый ранний пример научной астрономии, поскольку представляла собой "первую и весьма успешную попытку дать точное математическое описание астрономических явлений". По словам историка Асгера Або, "все последующие направления научной астрономии в эллинистическом мире, в Индии, в исламском мире и на Западе – если не все последующие усилия в области точных наук – в решающей и фундаментальной степени зависят от вавилонской астрономии". Древние вавилоняне и египтяне развили значительные технические знания, ремесла и математику, которые использовались в практических задачах, таких как гадание, а также обладали знаниями в области медицины и составляли различные списки. Хотя вавилоняне, в частности, занимались ранними формами эмпирической математической науки, предпринимая первые попытки математического описания природных явлений, им в целом не хватало лежащих в основе рациональных теорий природы.

Классическая античность

Грекоязычные древние философы занимались самыми ранними известными формами того, что сегодня признается рациональной теоретической наукой, с переходом к более рациональному пониманию природы, который начался, по крайней мере, с архаического периода (650 – 480 до н.э.) с досократической школы. Фалес был первым известным философом, который использовал естественные объяснения, провозгласив, что каждое событие имеет естественную причину, хотя он известен тем, что говорил: "все вещи полны богов", и принес в жертву вола, когда открыл свою теорему. Левкипп продолжил развивать теорию атомизма – идею о том, что все состоит полностью из различных неразлагаемых, неделимых элементов, называемых атомами. Это было подробно разработано Демокритом. Подобные атомистические идеи возникли независимо среди древних индийских философов школ Ньяя, Вайшешика и буддизма. В частности, как и школы Ньяя, Вайшешика и буддизма, эпистемология школы Карвака была материалистической и достаточно скептической, чтобы признать восприятие основой безусловно истинного знания, при этом предостерегая, что если можно лишь вывести истину, то следует также испытывать сомнение в ней; выведенная истина не может быть безусловной. К середине V века до н.э. некоторые компоненты научной традиции уже были прочно установлены, еще до Платона, который внес важный вклад в эту формирующуюся традицию благодаря развитию дедуктивного рассуждения, предложенного его учеником Аристотелем. В «Протагоре» (318d f) Платон упоминает преподавание арифметики, астрономии и геометрии в школах. Философские идеи того времени в основном освободились от ограничений повседневных явлений и здравого смысла. Это отрицание реальности, как мы ее воспринимаем, достигло крайности у Парменида, который утверждал, что мир един и что изменения и разделения не существуют. Уже в IV веке до н.э. в Китае были изобретены армиллярные сферы, а в III веке до н.э. – в Греции для использования в астрономии; их использование получило распространение впоследствии, например, § Ибн аль-Хайтамом и § Тихо Браге. В III и IV веках до н.э. греческие врачи Герофил (335–280 до н.э.) и Эрастрат из Хиоса использовали эксперименты для продвижения своих медицинских исследований; Эрастрат в свое время неоднократно взвешивал птицу в клетке и отмечал потерю веса между кормлениями.

Эпикур

В своей работе Kαvώv («канон», прямой край или линейка, таким образом, любой тип меры или стандарта, именуемый «каноническим»), Эпикур сформулировал свое первое правило для исследования в физике: «первоначальные понятия должны быть очевидны и не требовать доказательств». Однако Эпикур представлял свою «канонику» как альтернативу логике Аристотеля. Начиная с начала IX века, ранние мусульманские ученые, такие как аль-Кинди (801–873) и авторы, писавшие под именем Джабира ибн Хайяна (труды датируются ок. 850–950 гг.), стали придавать большее значение использованию эксперимента как источника познания. К началу XI века в средневековом мусульманском мире возникло несколько научных методов, все из которых в различной степени акцентировали внимание на экспериментах и количественном анализе.

Ибн аль-Хайтам

[[Файл:Thesaurus opticus Titelblatt.jpg|thumb|left|"Как свет проходит через прозрачные тела? Свет проходит через прозрачные тела только по прямой. Мы исчерпывающе объяснили это в нашей Книге об оптике". Экспериментальные данные подтвердили большинство положений его Книги об оптике и стали основой его теорий зрения, света и цвета, а также его исследований в области катаоптики и диоптрики. Его наследие было развито посредством "реформирования" его оптики Камалем ад-Дином аль-Фариси (ум. ок. 1320 г.) в его "Китаб Танких аль-Маназир" (Пересмотр оптики [Ибн аль-Хайсама]). Альхазен рассматривал свои научные исследования как поиск истины: "Истина ищется ради самой себя. И те, кто занят поиском чего-либо ради него самого, не интересуются ничем другим. Обретение истины трудно, и путь к ней тернист". В своих работах Ибн аль-Хайсам выдвинул предположение о том, что "свет проходит через прозрачные тела только по прямой", которое ему удалось подтвердить лишь после многих лет усилий. Он утверждал: "[Это] отчетливо наблюдается в лучах света, проникающих в темные комнаты через отверстия; входящий свет будет отчетливо виден в пыли, заполняющей воздух". Он также продемонстрировал это предположение, поместив прямую палку или натянутую нить рядом со световым лучом. Ибн аль-Хайсам также использовал научный скептицизм и подчеркивал роль эмпиризма. Он также объяснил роль индукции в силлогизме и критиковал Аристотеля за его недостаточный вклад в метод индукции, который Ибн аль-Хайсам считал превосходящим силлогизм, и рассматривал индукцию как основное требование для подлинных научных исследований. В Книге об оптике также присутствует нечто похожее на принцип бритвы Оккама. Например, после демонстрации того, что свет генерируется светящимися объектами и излучается или отражается в глаза, он утверждает, что, следовательно, "излучение [зрительных] лучей излишне и бесполезно". Возможно, он был первым ученым, применившим форму позитивизма в своем подходе. Он писал, что "мы не выходим за рамки опыта и не можем довольствоваться использованием чистых концепций при исследовании природных явлений", и что понимание этих явлений невозможно без математики. Приняв, что свет является материальной субстанцией, он не углубляется в его природу, а ограничивает свои исследования диффузией и распространением света. Он учитывает только те свойства света, которые можно изучать с помощью геометрии и проверять экспериментально.

Аль-Бируни

Персидский ученый Абу Райхан аль-Бируни внедрил ранние научные методы в различных областях исследований в 1020-х и 1030-х годах. Например, в своем трактате о минералогии Kitab al Jawahir (Книга драгоценных камней) аль-Бируни назван "самым точным из экспериментальных ученых", а во введении к своему исследованию Индии он заявляет, что "для реализации нашего проекта следовать геометрическому методу оказалось невозможным" и таким образом стал одним из пионеров сравнительной социологии, подчеркивая важность полевых исследований и сбора информации. Он также разработал ранний экспериментальный метод в механике. Методы аль-Бируни были схожи с современным научным методом, особенно в его акценте на многократных экспериментах. Бируни беспокоился о том, как концептуализировать и предотвращать как систематические ошибки, так и субъективные искажения, такие как "ошибки, вызванные использованием небольших инструментов, и ошибки, допущенные человеческими наблюдателями". Он утверждал, что если инструменты дают погрешности из-за своих несовершенств или специфических особенностей, то необходимо провести несколько наблюдений, качественно их проанализировать и на этой основе получить "единое, разумное значение для искомой константы", будь то арифметическое среднее или "надежная оценка". В его научном методе "общие закономерности выводились из практической, экспериментальной работы", а "теории формулировались после сделанных открытий", как это происходит в индуктивизме. Ранее, в "Каноне врачебной науки" (1025), Авиценна также первым описал методы сходства, различия и сопутствующих изменений, которые имеют решающее значение для индуктивной логики и научного метода. Однако, в отличие от научного метода его современника аль-Бируни, где "общие закономерности выводились из практической, экспериментальной работы", а "теории формулировались после сделанных открытий", Авиценна разработал научную процедуру, в которой "общие и универсальные вопросы ставились в первую очередь и приводили к экспериментальной работе".

Роберт Гросетест

Во время европейского Возрождения XII века идеи научной методологии, включая эмпиризм Аристотеля и экспериментальные подходы Альхазена и Авиценны, были внедрены в средневековую Европу посредством латинских переводов арабских и греческих текстов и комментариев. Комментарий Роберта Гроссетеста к «Второй аналитике» относит Гроссетеста к числу первых схоластических мыслителей в Европе, осознавших аристотелевское понимание двойственной природы научного мышления – выведение общих законов из частных наблюдений и последующее использование этих законов для предсказания конкретных случаев. Гроссетест назвал этот процесс «разложением и синтезом». Более того, Гроссетест утверждал, что оба эти пути должны быть подтверждены экспериментами для проверки принципов.

Гуманизм и медицина эпохи Возрождения

Идеи Аристотеля стали основой для критических дебатов, начиная с включения аристотелевских текстов в университетскую программу в первой половине XIII века. Этому способствовал успех средневековых теологов в примирении аристотелевской философии с христианской теологией. В рамках науки средневековые философы не боялись не соглашаться с Аристотелем по многим конкретным вопросам, хотя их разногласия выражались на языке аристотелевской философии. Все средневековые философы были аристотеликами, но "аристотелизм" стал довольно широким и гибким понятием. С окончанием Средневековья, отказ Ренессанса от средневековых традиций в сочетании с глубоким почтением к классическим источникам привел к возрождению других древних философских традиций, особенно учения Платона. К XVII веку те, кто догматически придерживался учения Аристотеля, столкнулись с рядом конкурирующих подходов к изучению природы. Изображение полыни, выполненное Леонхартом Фуксом, из книги "De Historia Stirpium". Базель, 1542 год. Открытие Америки в конце XV века показало европейским ученым, что новые открытия можно найти за пределами авторитетных трудов Аристотеля, Плиния, Галена и других древних авторов. Гален из Пергама (129 – ок. 200 г. н.э.) учился в четырех школах античности – у платоников, аристотеликов, стоиков и эпикурейцев, а также в Александрии, которая в то время была центром медицины. В своем труде "Метод лечения" (Methodus Medendi) Гален синтезировал эмпирическую и догматическую школы медицины в свой собственный метод, который был сохранен арабскими учеными. После критического анализа переводов с арабского языка произошла обратная реакция и в Европе возник спрос на переводы медицинских текстов Галена с оригинального греческого языка. Метод Галена стал очень популярен в Европе. Томас Линакр, учитель Эразма, перевел "Метод лечения" с греческого на латинский язык в 1519 году для более широкой аудитории. Limbrick (1988) отмечает, что в XVI веке в Европе было издано 630 изданий, переводов и комментариев к трудам Галена, что в конечном итоге затмило арабскую медицину и достигло пика в 1560 году, во время научной революции. К концу XV века врач и ученый Никколо Леоничено обнаружил ошибки в "Естественной истории" Плиния. Как врач, Леоничено беспокоился о распространении этих ботанических ошибок на фармакопею, основу для приготовления лекарств. Чтобы противодействовать этому, был основан ботанический сад в Orto botanico di Padova, Падуанском университете (начал использоваться для обучения в 1546 году), чтобы студенты-медики могли непосредственно изучать растения, используемые в фармации. Были созданы и другие учебные сады, в частности, врачом Леонхартом Фуксом, одним из основателей ботаники. Первая печатная работа, посвященная концепции метода, – это Jodocus Willichius, "De methodo omnium artium et disciplinarum informanda opusculum" (1550). Информативное эссе о методе всех искусств и дисциплин (1550).

Скептицизм как основа для понимания

В 1562 году были опубликованы «Очерки пирронизма» древнего пиррониста-философа Секста Эмпирика (ок. 160–210 гг. н.э.) в латинском переводе (с греческого), что быстро выдвинуло аргументы классического скептицизма на передний план европейской мысли. Эти аргументы устанавливают, казалось бы, непреодолимые препятствия для возможности достоверного знания. Скептический философ и врач Франсиско Санчес, получивший медицинское образование в Риме в 1571–1573 годах, пришел к поиску истинного метода познания (modus sciendi), поскольку посредством методов Аристотеля и его последователей ничего определенного познать невозможно. Например, 1) силлогизм терпит крах из-за круговых рассуждений; 2) модальная логика Аристотеля не была сформулирована достаточно четко для использования в Средние века и до сих пор остается предметом исследований. Следуя методу врача Галена, Санчес перечисляет методы суждения и опыт, которые при неправильном применении приводят к ошибкам, и мы остаемся с пессимистичным утверждением, что «Ничего не известно» (1581, на латыни Quod Nihil Scitur). Этот вызов был подхвачен Рене Декартом в следующем поколении (1637), но, по крайней мере, Санчес предостерегает нас от использования методов, обобщений и комментариев к Аристотелю, если мы стремимся к научному знанию. В этом его поддерживает Фрэнсис Бэкон, находившийся под влиянием другого известного скептика, Монтеня; Санчес ссылается на гуманиста Хуана Луиса Вивеса, который стремился к совершенствованию образовательной системы, а также к провозглашению прав человека как пути к улучшению положения бедных. «Санчес развивает свой скептицизм посредством интеллектуальной критики аристотелизма, а не апеллируя к истории человеческой глупости и разнообразию и противоречивости прежних теорий», – как цитирует.

«Итак, приступаем к работе; и если ты что-то знаешь, научи меня; я буду тебе очень благодарен. А пока, готовясь исследовать вещи, я задам вопрос, известно ли что-нибудь, и если да, то как, во введении к другой книге, в которой я изложу, насколько позволяет человеческая слабость, метод познания. Прощай. ТО, ЧЕМУ УЧАТ, НЕ ИМЕЕТ БОЛЬШЕЙ СИЛЫ, ЧЕМ ОТ ТОГО, КОМУ УЧАТ. ЧТО?» — Франсиско Санчес (1581) Quod Nihil Scitur, с. 100.

Знаменитый аргумент Декарта «Cogito» — это попытка преодолеть скептицизм и восстановить основу для достоверности, но другие мыслители ответили, пересмотрев, каким может быть поиск знания, особенно физического знания.

Чарльз Сандерс Пирс

руководство по трудам К. С. Пирса, которое содержало более 100 000 пунктов по состоянию на 1997 год. В конце XIX века Чарльз Сандерс Пирс предложил схему, оказавшую значительное влияние на дальнейшее развитие научного метода в целом. Работа Пирса быстро ускорила прогресс на нескольких направлениях. Во-первых, в более широком контексте работы «Как сделать наши идеи ясными» (1878) Пирс изложил объективно проверяемый метод проверки истинности предполагаемых знаний, выходящий за рамки простых фундаментальных альтернатив и фокусирующийся как на дедукции, так и на индукции. Таким образом, он поместил индукцию и дедукцию в комплементарный, а не конкурентный контекст (последний доминировал, по крайней мере, со времен Дэвида Юма столетие назад). Во-вторых, и более непосредственно относясь к научному методу, Пирс предложил базовую схему для проверки гипотез, которая сохраняет свою актуальность и сегодня. Извлекая теорию исследования из основ классической логики, он усовершенствовал ее параллельно с ранним развитием символической логики, чтобы решить актуальные проблемы научного рассуждения. Пирс исследовал и сформулировал три фундаментальных способа рассуждения, которые играют роль в современных научных исследованиях, процессы, известные сегодня как абдукция, дедукция и индукция. В-третьих, он сыграл важную роль в развитии самой символической логики – это была его основная специализация. Чарльз С. Пирс также был пионером в области статистики. Пирс считал, что наука достигает статистических вероятностей, а не абсолютных истин, и что случайность, отклонение от закономерности, является вполне реальным явлением. Он приписывал вероятность заключению аргумента, а не самому предложению, событию и т.п. как таковому. Большинство его работ по статистике продвигают частотную интерпретацию вероятности (объективные соотношения случаев), и многие из них выражают скептицизм (и критику) в отношении использования вероятности, когда модели не основаны на объективной рандомизации. Хотя Пирс в основном был сторонником частотного подхода, его семантика возможных миров представила теорию «склонности» вероятности. Пирс (иногда с Ястроу) исследовал вероятностные суждения экспериментальных испытуемых, став пионером в анализе решений. Пирс был одним из основателей статистики. Он сформулировал современную статистику в работах «Иллюстрации логики науки» (1877–1878) и «Теория вероятного вывода» (1883). Используя повторные измерения, он внедрил слепые, контролируемые рандомизированные эксперименты (до Фишера). Он изобрел оптимальный дизайн для экспериментов по гравитации, в котором он «скорректировал средние значения». Он использовал логистическую регрессию, корреляцию и сглаживание, а также улучшил обработку выбросов. Он ввел термины «доверие» и «правдоподобие» (до Неймана и Фишера). (См. исторические работы Стиглера.) Многие идеи Пирса были позже популяризированы и развиты Рональдом А. Фишером, Джержи Нейманом, Фрэнком П. Рэмси, Бруно де Финетти и Карлом Поппером.

Современные перспективы

Карл Поппер (1902–1994) обычно признается автором значительных улучшений в понимании научного метода в середине и конце XX века. В 1934 году Поппер опубликовал «Логику научного исследования», в которой отверг тогдашний традиционный наблюдательный индуктивистский подход к научному методу. Он выступал за эмпирическую фальсифицируемость как критерий, позволяющий отличать научную деятельность от ненаучной. По мнению Поппера, научная теория должна делать предсказания (желательно, отличные от предсказаний конкурирующей теории), которые можно проверить, и теория должна быть отвергнута, если эти предсказания окажутся неверными. Следуя Пирсу и другим, он утверждал, что наука лучше всего развивается, используя дедуктивные рассуждения как основной акцент, известный как критический рационализм. Его точные формулировки логической процедуры помогли ограничить чрезмерное использование индуктивных спекуляций, основанных на других индуктивных спекуляциях, а также укрепили концептуальные основы современных процедур рецензирования. Людвик Флек, польский эпидемиолог, современник Карла Поппера, оказавший влияние на Куна и других своей работой «Генезис и развитие научного факта» (на немецком языке 1935, на английском языке 1979). До Флека считалось, что научный факт возникает полностью сформированным (как, например, полагал Макс Яммер), тогда как сейчас признается, что перед принятием явления в качестве факта необходим период инкубации. Критики Поппера, в основном Томас Кун, Пол Фейерабенд и Имре Лакатос, отвергли идею о существовании единого метода, применимого ко всей науке и объясняющего ее прогресс. В 1962 году Кун опубликовал влиятельную книгу «Структура научных революций», в которой предположил, что ученые работают в рамках определенных парадигм, и утверждал, что мало что свидетельствует о том, что ученые действительно следуют фальсификационистской методологии. Кун цитировал Макса Планка, который в своей автобиографии писал: «Новая научная истина не торжествует, убеждая своих противников и открывая им глаза, а скорее потому, что ее противники в конечном итоге умирают, и новое поколение вырастает, знакомое с ней». Джордж Э. П. Бокс (1919–2013), широко цитируемый источник по вопросам научного метода и статистических моделей, писал: «Поскольку все модели ошибочны, ученый не может получить правильную модель путем чрезмерной детализации. Напротив, следуя принципу бритвы Оккама, он должен стремиться к экономичному описанию природных явлений. Как способность создавать простые, но убедительные модели является визитной карточкой великого ученого, так и чрезмерная детализация и перепараметризация часто являются признаком посредственности» и «Поскольку все модели ошибочны, ученый должен быть внимателен к тому, что является принципиально неверным. Неуместно беспокоиться о мышах, когда вокруг рыщут тигры». Эти дебаты ясно показывают, что не существует универсального согласия относительно того, что представляет собой «научный метод». Тем не менее, определенные основополагающие принципы остаются фундаментом научных исследований и сегодня.

Наука и псевдонаука

Вопрос о том, как функционирует наука и, следовательно, как отличить настоящую науку от псевдонауки, имеет значение, выходящее далеко за рамки научных кругов или академического сообщества. Например, в судебной системе и при обсуждении вопросов государственной политики, отклонение исследования от общепринятых научных методов является основанием для его отклонения как ненадежной науки или псевдонауки. Однако, высокий авторитет науки в глазах общественности способствует широкому распространению псевдонауки. Реклама, в которой актер одет в белый халат, а ингредиенты продукта имеют греческие или латинские названия, призвана создать впечатление научной поддержки. Ричард Фейнман сравнил псевдонауку с культом груза, где имитируются многие внешние проявления, но отсутствует фундаментальная основа: то есть, маргинальные или альтернативные теории часто маскируются под научные, чтобы добиться признания.