Законы сохранения и их роль в естественнонаучном познании

В 20 в. возросла роль симметрии  в построении физических теорий в  связи с развитием 

концепции физических принципов  симметрии. В нач. 20 в. Г. Гамель установил связь между законами сохранения и основными симметриями пространства и времени, позднее Э. Нетер была установлена связь между инвариантностью физической системы относительно преобразований симметрии, описываемой непрерывной группой симметрии с независимыми параметрами и числом сохраняющихся величин в данной системе. Принципиально новым использованием законов симметрии в физике было введение В. А. Фоком непространственной группы симметрии для объяснения случайного вырождения в спектре водорода. Позже было установлено универсальное правило сохранения СРТ симметрии, одновременно зарядовой симметрии, временной симметрии и пространственной четности. Это означает, что физические процессы останутся без изменения, если у взаимодействующих частиц одновременно изменить знак зарядов, направление стрелы времени и координаты на зеркально-симметричные.

В современной физике широко используются т.н. внутренние, или динамические, симметрии, которые, по замечанию Э. Вигнера, «формулируются в терминах законов природы». Наиболее широко применяема в современной физике элементарных частиц калибровочная симметрия – термин, введенный Г.Вейлем. Такой симметрией обладает электромагнитное поле. Этой симметрией обладают системы, чей лагранжиан инвариантен относительно группы непрерывных преобразований с параметрами, зависящими от пространственно-временных координат.

В современной физике свойства симметрии используются для задач  классификации, выявления новых  законов сохранения, построения новых  обобщенных теорий, упрощения конкретных расчетов, напр. в спектроскопии, получения правил отбора.

Формулировка.

Принцип симметрии в основном применяется для аналитического продолжения функций, которые аналитичны на некотором множестве   Далее, пусть множество   не пусто, и на этом множестве функция принимает исключительно вещественные значения.

Тогда можно осуществить  аналитическое продолжение функции   с множества   на большее множество  , где  , с помощью следующей функции:

 при 

 при 

Пользуясь принципом соответствия границ, можно доказать более общее утверждение, кото -рое обычно фигурирует в специальной литературе под тем же названием.

Обобщение.

Допустим, что заданы области  , далее,   — дуги окружнос -тей. Обозначим через   область, которая симметрична   относительно  , аналогично определяется  . Теперь, если   конформно отображает   на  , притом  , тогда   может быть аналитически продолжена до конформного отображения   на  .

3. Роль законов в естественнонаучном  познании.

Естественнонаучное познание - процесс постижения истины.

Общие сведения.

В основе любого, в том числе и естественнонаучного, познания действительности лежит сложная творческая работа, включающая сочетающиеся сознательные и подсознательные процессы. О важной роли подсознательных процессов говорили многие выдающиеся ученые. В частности, Альберт Эйнштейн подчеркивал: «Нет ясного логического пути к научной истине, ее надо угадать некоторым интуитивным скачком мышления». 
Особенности сознательных и подсознательных процессов творческой работы придают инди -видуальный характер решению даже одной и той же естественнонаучной проблемы разными учеными. «И хотя представители различных школ считают свой стиль единственно правиль-ным, разные направления дополняют и стимулируют друг друга; истина же не зависит от того, каким способом к ней приближаться,» – так считал физик-теоретик А.Б. Мигдал (1911–1991). 
Несмотря на индивидуальность решения научных задач, можно назвать вполне определенные правила научного познания действительности: 
– ничего не принимать за истинное, что не представляется ясным и отчетливым; 
– трудные вопросы делить на столько частей, сколько нужно для их разрешения; начинать исследование с самых простых и удобных для познания вещей и восходить постепенно к познанию трудных и сложных; 
– останавливаться на всех подробностях, на все обращать внимание, чтобы быть уверенным, что ничего не опущено. 
Данные правила впервые сформулировал Рене Декарт (1596–1650), выдающийся французский философ, математик, физик и физиолог. Они составляют сущность метода Декарта, который в одинаковой мере применим для получения как естественнонаучных, так и гуманитарных знаний. 
Многие авторитетные ученые видят важную роль именно естественнонаучных знаний, естественных наук в познании действительности. Так, английский физик Дж. К. Максвелл

утверждал: «Что касается материальных наук, то они кажутся мне прямой дорогой к любой научной истине… Сумма знаний берет значительную долю своей ценности от идей, полученных путем проведения аналогий с материальными науками…»

Достоверность научных  знаний.

Среди ученых всегда возникал и возникает вопрос, в какой мере можно доверять научным результатам, т. е. вопрос о достоверности научных результатов и качестве работы ученого. Приходится констатировать, что научная продукция на своем пути к истине переполнена ошибочными результатами. Ошибочными не в том объективном смысле, что некоторые утверждения и представления со временем дополняются, уточняются и уступают место новым и что все естественнонаучные экспериментальные результаты сопровождаются вполне определенной абсолютной ошибкой, а в гораздо более простом смысле, когда ошибочные формулы,неверные доказательства, несоответствие фундаментальным законам естествознания и т.п. приводят к неправильным результатам. Для проверки качества научной продукции проводится ее контроль: экспертиза, рецензирование и оппонирование. Каждый из данных видов контроля направлен на определение достоверности научных результатов. В качестве примера приведем цифры, характеризующие эффективность контроля предлагаемых патентуемых материалов. В результате экспертизы 208975 заявок на изобретения, поданных в Национальный совет изобретений США, выявлено, что всего лишь 8615 (около 4%) из них не противоречило здравому смыслу, а реализовано только 106 (менее 0,05%) заявок. Поистине, как у поэта: «...изводит единого слова ради тысячи тонн словесной руды». До недавнего времени в отечественных академических и центральных отраслевых журналах после рецензирования публиковалась примерно одна из пяти представленных к публикации работ. Добросовестное оппонирование позволяет существенно сократить поток несостоятельных кандидатских и докторских диссертаций.

Вместе с  тем следует признать, что процедуры  экспертизы, рецензирования и оппонирования  далеки от совершенства. Можно привести не один пример, когда великие научные  идеи отвергались как противоречащие общепринятым взглядам, – это и  квантовая гипотеза Макса Планка, и постулаты Бора и др. Обобщая  свой опыт участия в научной дискуссии  и оценивая мнения многих оппонентов, Макс Планк писал: «Великая научная  идея редко внедряется путем постепенного убеждения и обращения своих  противников, редко бывает, что Саул становится Павлом. В действительности дело происходит так, что оппоненты  постепенно вымирают, а растущее поколение  с самого начала осваивается с  новой идеей...» Научной полемики сознательно избегал Чарльз Дарвин. Об этом на склоне своих лет он писал: «Я очень рад, что избегал полемики, этим я обязан Лейелю [своему учителю]... Он убедительно советовал мне никогда не ввязываться в полемику, так как от нее не выходит никакого прока,

а только тратится время и портится настроение». Однако дискуссию по существу нельзя полностью  исключать как средство постижения истины. Вспомним известное изречение: «в споре рождается истина».

В науке и, в  особенности, в естествознании есть внутренние механизмы самоочищения. Результаты исследований в областях мало кому интересных, конечно, редко  контролируются. Достоверность их не имеет особого значения: они все  равно обречены на забвение. Результаты интересные, полезные, нужные и важные волей-неволей всегда проверяются  и многократно. Например, «Начала» Ньютона  не были его первой книгой, в которой  излагалась сущность законов механики. Первой была книга «Мотус», подвергшаяся жесткой критике Роберта Гука. В результате исправлений с учетом замечаний Гука и появился фундаментальный  труд «Начала». 
Существующие способы контроля научной продукции малоэффективны, и для науки контроль, в сущности, не нужен. Он нужен обществу, государству, чтобы не тратить деньги на бесполезную работу исследователей. Большое количество ошибок в научной продукции говорит о том, что приближение к научной истине – сложный и трудоемкий процесс, требующий объединения усилий многих ученых в течение длительного времени. Около двадцати веков отделяют законы статики от правильно сформулированных законов динамики. Всего лишь на десятке страниц школьного учебника умещается то, что добывалось в течение двадцати веков. Действительно, истина гораздо дороже жемчуга.

Истина - предмет  познания.

Часто встречающееся  утверждение: главная цель естествознания – установление законов природы, открытие скрытых истин – явно или неявно предполагает, что истина где-то уже существует в готовом  виде, ее надо только найти, отыскать как  некое сокровище. Великий философ  древности Демокрит еще в V в. до н. э. говорил: «Истина скрыта в глубине (лежит на дне морском)». Что же означает открыть естественнонаучную истину в современном понимании? Это – во-первых, установить причинно-следственную связь явлений и свойств объектов природы, во-вторых, подтвердить экспериментом, опытом истинность полученных теоретических утверждений и, в-третьих, определить относительность естественнонаучной истины. 
Одна из задач естествознания – объяснить явления, процессы и свойства объектов природы. Слово «объяснить» в большинстве случаев означает «понять». Что обычно подразумевает человек, говоря, например: «Я понимаю свойство данного объекта?» Как правило это означает: «Я знаю, чем обусловлено данное свойство, в чем его сущность и к чему оно приведет». Так образуется причинно-следственная связь: причина – объект – следствие. Установление и количественное описание такой связи служат основой научной теории,

характеризующейся четкой логической структурой и состоящей  из набора принципов или 

аксиом и  теорем со всеми возможными выводами. По такой схеме строится любая  математическая теория. При этом, конечно, предполагается создание специального научного языка, терминологии, системы научных понятий, имеющих однозначный смысл и связанных между собой строгими законами логики. Так достигается математическая истина. 
Истинный естествоиспытатель не должен ограничиваться теоретическими утверждениями или выдвинутыми гипотезами для объяснения наблюдаемых явлений или свойств. Он должен подтвердить их экспериментом, опытом, он должен связать их с «действительным ходом вещей». Только так естествоиспытатель может приблизиться к естественнонаучной истине, которая, как теперь понятно, принципиально отличается от математической истины.

После проведения эксперимента, опыта наступает завершающая  стадия естественнонаучного познания, на которой устанавливаются границы истинности полученных экспериментальных результатов или границы применимости законов, теорий или отдельных научных утверждений. Результат любого эксперимента, как бы он тщательно не проводился, нельзя считать абсолютно точным. Неточность экспериментальных результатов обусловливается двумя факторами: объективным и субъективным. Один из существенных объективных факторов – динамизм окружающего нас мира: вспомним мудрые слова Гераклита – «Все течет, все изменяется; в одну и ту же реку нельзя войти дважды». Другой объективный фактор связан с несовершенством технических средств эксперимента. Эксперимент проводит человек, органы чувств и интеллектуальные способности которого далеки от совершенства: errare humanum est – ошибаться свойственно человеку (известное латинское выражение) – это и есть субъективный фактор неточности естественнонаучных результатов. 

Выдающийся  естествоиспытатель академик В.И. Вернадский (1863–1945) с уверенностью утверждал: «В основе естествознания лежат только научные эмпирические факты и  научные эмпирические обобщения». Напомним: эмпирический подход основан на эксперименте и опыте как определяющих источниках естественнонаучного познания. Вместе с тем В.И. Вернадский указывал и на ограниченность эмпирических знаний... 

Теоретические утверждения без эксперимента носят  гипотетический характер. Только при  подтверждении экспериментом из них рождается истинная естественнонаучная теория. Научная теория и эксперимент, или, в обобщенном представлении, наука и практика – вот два кита, на которых держится ветвистое древо познания. «Влюбленный в практику без науки словно кормчий, ступающий на корабль без руля или компаса; он никогда не уверен, куда плывет... Наука – полководец, а практика – солдат», – так сказал гениальный Леонардо да Винчи. 

Подводя итог, сформируем три основных положения теории естественнонаучного познания: 
1. в основе естественнонаучного познания лежит причинно-следственная связь; 
2. истинность естественнонаучных знаний подтверждается экспериментом, опытом (критерий истины);

3.  любое естественнонаучное  знание относительно.

Данные положения  соответствуют трем стадиям естественнонаучного познания. На первой стадии устанавливается причинно-следственная связь в соответствии с принципом причинности. Первое и достаточно полное определение причинности содержится в высказывании Демокрита: «Ни одна вещь не возникает беспричинно, но все возникает на каком-нибудь основании и в силу необходимости». В современном понимании причинность означает связь между отдельными состояниями видов и форм материи в процессе ее движения и развития. Возникновение любых объектов и систем, а также изменение их свойств во времени имеют свои основания в предшествующих состояниях материи в процессе ее движения и развития; эти основания называются причинами, а вызываемые ими изменения – следствиями. Причинно-следственная связь – основа не только естественнонаучного познания, но и любой другой деятельности человека.

Вторая стадия познания заключается в проведении эксперимента и опыта. Естественнонаучная истина – это объективное содержание результатов эксперимента и опыта. Критерий естественнонаучной истины – эксперимент, опыт. Эксперимент и опыт – высшая инстанция для естествоиспытателей: их приговор не подлежит пересмотру. 
Любые естественнонаучные знания (понятия, идеи, концепции, модели, теории, экспериментальные результаты и т. п.) ограничены и относительны. Определение границ соответствия и относительности естественнонаучных знаний – это третья стадия естественнонаучного познания. Например, установленная граница соответствия (называется иногда интервалом адекватности) для классической механики означает, что ее законы описывают движение макроскопических тел, скорости которых малы по сравнению со скоростью света в вакууме. Как уже отмечалось, в основе естествознания лежит эксперимент, который в большинстве случаев включает измерения. Подчеркивая важную роль измерений, выдающийся русский ученый Д.И. Менделеев (1834–1907) писал: «Наука началась тогда, когда люди научились мерить; точная наука немыслима без меры». Измерений абсолютно точных не бывает, и в этой связи задача ученого-естествоиспытателя заключается в установлении интервала неточности. При совершенствовании методов измерений и технических средств эксперимента повышается точность измерений и тем самым сужается интервал неточности и экспериментальные результаты приближаются к абсолютной истине.