Преподобным именуется святой, который при жизни был монахом и не имел...
История научного метода заключена в самой науке. Исходя из этого положения, составитель решил последовательно ознакомиться со вступлениями к работам, ставшим вехами в развитии естествознания. Однако, выделив из всей совокупности данных вступления и предисловия, мы совершаем отбор, фильтрацию материала. Поэтому естественно возникает вопрос о представительности и полноте этой картины, иными словами, о мере ее объективности.
Всякий опыт представления прошлого есть проекция минувшего. Прошлое многомерно, а проекция дает лишь один разрез существовавшего некогда многообразия событий, лиц, идей. Поэтому как для читателя, так и для составителя важно уяснить работу механизма отбора, понять, как действует предложенный нами подход к прошлому.
В данном очерке мы укажем исторические границы рассматриваемого периода. Мы проследим за теми факторами, которые определяют избранные сочинения, и остановимся на тех пропусках, неизбежных пропусках, которые возникают в общей картине, и в то же время попытаемся оценить ее полноту и представительность. Мы отметим те особенности содержания и формы, которые отражены в предисловиях как явлениях литературы. Наконец, мы укажем на область применимости развитого приема и определим некоторые выводы, к которым нас приводит анализ созданного таким образом автопортрета науки.
Время, охваченное сборником, начинается с эпохи Возрождения, иными словами, мы всецело обращаемся к развитию знаний Нового Времени. Есть ряд причин такого ограничения рассматриваемого интервала времени, однако наиболее существенным представляется то, что последние пять веков являют нам единую и последовательную цепочку событий в европейской и мировой культуре, оказывающих в своей совокупности определяющее влияние на настоящее.
– так названо удивительное время в нашей истории. Время, когда с исключительной мощью проявились свежие общественные силы, разорвавшие идейные оковы феодализма, которые связывали Европу на протяжении тысячелетия. Развитие городов и становление буржуазии привело к расцвету ремесла и торговли. Нарождающийся капитализм дал новые формы социально‑экономических отношений. Великие географические открытия расширили наши представления о Земле почти до нынешних пределов. Устои католической церкви потрясла реформация. Гуманизм и просвещение преобразили мораль и этические нормы общества: изменилось само отношение к личности человека. Духовное раскрепощение привело к необыкновенному расцвету культуры – живопись и литература того времени до сих пор пленяют наше воображение.
Конец этой эпохи отмечен началом современного этапа развития науки. Именно тогда началось изучение природы, материального мира, самого человека на основе наблюдений и эксперимента, а не путем схоластики, созерцания и обращения к догме. Доказательство истины стали искать не в непротиворечивости авторитету, а в данных опыта. В рассматриваемых нами сочинениях мы видим те решительные скачки, которыми отмечено возникновение этого нового, научного мировоззрения. Может быть, единственно полезное, что было унаследовано от того прошлого, когда, выражаясь словами Тертулиана,– «...ни в одном исследовании после Евангелья нет больше нужды» – была воспитанная веками некоторая дисциплина и культура мышления. Все образование еще многие годы будет находиться в руках церкви, но, несмотря на это, часто ее воспитанники будут служить уже новым знаниям и новой культуре.
Рассматриваемое время ограничено сегодняшним днем. Однако в том, что мы завершаем этот обзор современностью, есть нечто большее, чем граница между прошлым и будущим.
Мы живем в эпоху социализма, в эпоху научно‑технической революции. Вслед за революционным изменением экономических отношений в обществе радикально изменилось не только состояние науки, но и сама ее общественная функция. Наука стала производительной силой.
Многим кажется, что существенной стала коллективность науки, однако наука как часть общественпого сознания, дающая каждому поколению сумму знаний и определяющая основные представления о мире, всегда была коллективной и интернациональной по своему духу, несмотря на то, что поворотные моменты в ее развитии четко связаны с отдельными лицами – их имена широко представлены в этой книге.
Если раньше наука была больше, хотя и не исключительно связана только с поиском научных истин, важность которых мотивировалась часто не столько практическими, сколько духовными запросами общества, то в эпоху научно‑технической революции, когда использование научных результатов стало менее опосредованным, когда научные.методы стали прямо проникать в технику и промышленность, неизбежно изменился и характер науки, и ее общественное лицо.
В нашу задачу не входит анализ того, как в будущем изменится развитие науки, хотя именно этим вопросом в значительной мере определяется тот повышенный интерес к истории науки, который ныне столь распространен. Интерес к прошлому обостряется в переходные моменты истории тогда, когда особенно остро возникает желание через прошлое заглянуть в будущее. Действительно, если прежде история науки привлекала главным образом философов и педагогов, то теперь ее вопросы интересуют все более широкие круги ученых и инженеров. История науки стала интересовать всех, кому хочется понять, как возникла эта грандиозная и могущественная сила, имеющая теперь такое влияние не только на всю нашу культуру, но и на саму нашу жизнь. Поэтому всякая попытка дать проекцию прошлого, охватить путь, пройденный наукой, представляется не только интересной, но и практически поучительной. Нам существенно важно представить себе богатство прошлого, поскольку сегодня мы несомненно переживаем рубеж в развитии науки. Нам было бы легче определить этот исторический рубеж, если бы у нас была большая временная перспектива. Этого, однако, нам не дано.
Вопрос об исторической перспективе стоял перед составителем и в более узком смысле. Ретроспектива необходима и для суждения о том пли ином труде, входящем в сборник. Чем дальше в прошлом расположена работа, тем проще о ней судить, поскольку при этом можно опираться на проверенные веками оценки многих поколений. Чем ближе к нам расположена работа, тем это суждение становится все более окрашенным субъективизмом личных взглядов и предвзятостью скоротечной интеллектуальной моды. Именно поэтому составитель в этом издании все же исключил труды ныне живущих ученых, хотя прп этом возникают совершенно очевидпые пробелы.
При составлении сборника в центре внимания составителя были вступления, в первую очередь – предисловия, иногда посвящения и введения к крупным монографическим работам, трудам, ставшим поворотными в развитии пауки. Такой подход возможен, по существу, лишь начиная с XVI века, с того времени, когда вместе со становлением современной науки оформилась научная монография. Важным техническим фактором было изобретение книгопечатания: ведь труд «Об обращении небесных сфер» Коперника был издан всего лишь через 83 года после напечатания Гутенбергом его первой 46‑строчной Библии (1460 г.).
В XVII веке существенную роль сыграло появление научных журналов, издававшихся основанными тогда научными обществами и Академиями наук. До этого обмен информацией между учеными в основном происходил путем переписки. Это не только очень ограничивало круг корреспондентов, но само качество научных сообщений было ипым. Появление научной периодики, когда формирование научных идей стало публичным, подняло на новую ступень требования к работам, и тогда стали вырабатываться приемы написания научной статьи, которые до сих пор являются общепринятыми. Как правило, научному мемуару предшествуют введения, и составитель в ряде случаев находил в них полезный и интересный материал.
Составитель уже отмечал неизбежную неполноту представленной выше картины развития науки. Помимо промахов самого составителя и чисто случайных обстоятельств, влияющих уже на само качество предисловий и вступлений, есть один момент, который представляется существенным. В основе естествознания лежит научный факт, открытие пового явления, опыт. Однако само оформление открытий редко происходит путем написания капитального мемуара или книги. В физике, напрпмер, наиболее яркие, и потому неожиданные открытия, часто об‑народовались в виде краткого сообщения, и только по прошествии времени возникало все более глубокое понимание важности свершившегося. Так было при открытии Эрстедом связи электричества и магнетизма, при открытии лучей Рентгена и радиоактивности. Если мы обратимся к этим работам, то мы не найдем в них интересных введений. Более того, интуитивный склад ума экспериментатора, часто более свободный от каких‑либо формализованных представлений и теорий, не способствует тому, чтобы такой ученый искал повод для выражения методов и мотивов своей работы. Во всяком случае, такие ученые делали это более сдержанно, чем авторы следующего за ними эшелона, что никоим образом не умаляет ни их заслуг, ни величия их подвига, ибо без фактов и наблюдений, как бы они ни были иногда малы, никогда не было бы всей последующей работы теоретиков.
Действительно, ученый обращается к жанру научной монографии на следующей ступени тогда, когда он от фактов переходит к их обобщению, и от частных гипотез идет к созданию более полной теории. Может быть поэтому при первом знакомстве с данным сборником у читателя может создаться впечатление, совершенно превратное впечатление, о некотором примате теории над экспериментом. Однако ничто не может быть более ложным, и надо надеяться, что глубокое прочтение этой антологии служит тому веским доказательством.
Научный метод познания Мира, основанный на диалектическом взаимодействии опыта и теории, при всем разнообразии индивидуальных черт ученых, отражен в единстве и преемственности всего содержания сборника.
Основные понятия, возникновение которых мы проследили, по существу должны быть известны любому образованному человеку из учебников средней школы или первых курсов высшей: именно поэтому мы можем теперь отвлечься от основного содержания рассматриваемых книг и раэвить подход, лежащий в основе составления этой книги. Это соображение также лежит в основе отказа составителя от каких‑либо подробных комментариев к материалам сборника. С другой стороны, следует напомнить и о прямом назначении предисловий. Может быть, для некоторых читателей возникнет потребность знакомства с тем сочинением, которое они предваряют.
Тем, кто не найдет среди авторов имен, имеющих, казалось бы, драво быть представленными, надо со всей четкостью понять, что составитель на первое место ставил конкретные труды, а не фамилии. Этот сборник надо рассматривать как последовательную попытку создать образ научного метода, а не как цитатник, иллюстрирующий некую мысль: модель науки может уже следовать из этого материала.
Как уже отмечалось, сборник посвящен развитию естествознания. Основу современной науке о природе дает физика, и поэтому физике уделено столь заметное место. В самой физике составителя больше всего привлекало развитие механики, лежащей в основе наших представлений о пространстве, времени, материи. Очевидно, что механику следует понимать более широко – в нее теперь необходимым образом входят электродинамика, квантовая механика, теория относительности, решающие те же проблемы, которые во времена классики были уделом собственно самой механики. Развитие же молекулярной физики, физики твердого тела, жидкостей нами затронуто лишь на их начальных этапах, а все, что относится к прикладной механике, динамике твердого тела, гидродинамике, пришлось полностью исключить.
В сопредельных науках, в частности в химии, составитель также остановился на тех трудах, которые являются определяющими для развития ее главных понятий, понятий, стоящих на границе с физикой. Поэтому вопросам чисто химическим, таким как органическая химия, теория строения, уделено недостаточно внимания. К сожалению, по отмеченным выше соображениям исторической перспективы вне нашего внимания оказалась квантовая химия, не говоря уже о некоторых основных работах по квантовой механике.
В биологии составитель сосредоточил свое внимание на проблеме эволюции и ее механизме, раскрытом генетикой. Физиология и патология выделены не только как научные основы медицины. Физиология дает нам метод решения элементарных задач биологии, указывая путь к раскрытию механизма биологических явлений. Следует отметить, что вне рассмотрения оказались также основные события, связанные с созданием представлений молекулярной биологии. Однако читатель может проследить пути, которые в столь недавнем прошлом привели к возникновению современных представлений о механизме наследственности и работе клетки, когда объединенными усилиями генетиков и физиологов, биохимиков и физиков были решены некоторые основные проблемы науки о жизни. С другой стороны, мы видим, что проблемы сознания, поведения и памяти пока еще не нашли своего решения, и мы еще только нащупываем отдельные подходы к этим вопросам.
Следуя тому же методу, рассматривались науки о Земле и Космосе, когда имепно на работах, направленных на поиски физических процессов развития мира, сконцентрировано основное внимание. В представленной картине развития наук о Земле остались не отраженными труды двух выдающихся геологов XIX века Лайеля и Зюсса, не давших достаточно сжатых вступлений ни к «Основам геологии», ни к «Лику Земли», трудам, оказавшим в то же время большое влияние на развитие геологии. По соображениям объема пришлось также оставить за пределами сборника геофизику, метеорологию и сейсмологию, описательную географию.
Несколько слов о математике. В этом сборнике мы не находим работ Паскаля и Лейбница, Вейерштрасса и Римана, Галуа, Чебышева, Кантора, Лебега,– имена, без которых трудно представить себе сколько‑нибудь полный образ этой науки. По‑видимому, предложенный подход через узловые монографии здесь менее эффективен, чем в других науках, где несомненно так происходит четкий отбор главных событий. Может быть, традиции математиков, традиции их науки таковы, что у них часто пет нужды обращаться к посредничеству вступлений при обращении к своим коллегам и читающей публике.
Таким образом, в сборнике в основном представлены мыслители и ученые, которые в своих трудах дали широкие обобщения, сформулировали новые направления в науке. Недаром многие из представленных в сборнике книг справедливо считаются основополагающими для целых отраслей знаний. Совокупностью таких трудов в первую очередь определяются узлы остова наших основных представлений о природе, которые в итоге дают человеку синтетическую картину мира. Отметим, что можно проследить четкую параллель между появлением новой парадигмы в смысле Т. Куна и рядом избранных выше сочинений.
Каждому поколению известны авторы, написавшие обзорные книги, учебные курсы, оказавшие большое влияние на современников. Таков в XVII веке Мерсенн, в XVIII веке мы вспоминаем имена Мушенбрука, Еургаве и Бюффона; Био и Юнга – в XIX веке. Можно было бы думать, что такпе ученые, известные энциклопедичностью своих знаний, могли бы предварять свои всеохватывающие сочинения содержательными вступлениями. Однако опыт показывает, что этого не происходит. По‑видимому, та независимость мышления – общая и наиболее сильная черта всех тех, кто представлен в этой книге, в меньшей степени принадлежит тем ученым, которые подчинили свой талант эрудиции и у кого самостоятельность мышления отягощена часто избыточным бременем знаний. Именно тогда, когда мы обращаемся к работам ученых, известных, в первую очередь, собственными оригинальными творческими достижениями, мы находим интересные предисловия к их курсам и лекциям.
Особенно интересны книги, написанные в результате прочтения лекционного курса. Подобные книги начали появляться начиная с XIX века, и их возникновение, несомненно, связано с развитием светского высшего образования. Так было после Великой Французской революции, когда были основаны Политехническая и Нормальная школы, так было тогда, когда были созданы технические и медицинские учебные заведения, появившиеся, в первую очередь, в континентальной Европе после так называемой промышленной революции. При этом и старым университетам, где учебный процесс был больше основан на догматическом подходе к классикам давно минувших дней, пришлось перестраивать свою деятельность, откликнуться на новые требования общественного развития.
Представленный в сборнике материал дает возможность проследить тесную связь между развитием науки и высшим образованием. Мы видим сотрудничество исследовательских институтов и университетов, кли‑пик и медицинских академий. Эта связь необходима для нормального развития науки. Потребность в воспитании учеников и последователей дает сильнейший повод ученым для написания сочинений, появление которых служпт в то же время важным каналом связи науки и общества. Действительно, на уровне интеллектуальных стандартов рассматриваемых работ то, что принято называть внедрением результатов научных исследований, часто наиболее действенно происходит через учеников, воспитанных учеными, через научную школу, созданную учителем, через труды, представленные выше. Именно так обеспечивается преемствен‑пость знаний и культуры, примеры которой легко найти в сборнике.
Как уже отмечалось, в этот сборник не вошли труды, связанные с практическими исследованиями, с прикладными науками. Действительно, ознакомление с такими книгами показывает, что в них редко можно найти предисловия, которые по своему уровню могли бы соседствовать с отобранными выше. Поэтому в сборник вошли фрагменты из сочинений, посвященных тому, что иногда называется «чистой наукой». Но ничто так не определяет практические возможности науки, как ее достижения в области отвлеченного знания. Каждому из приведенных примеров можно незамедлительно указать на конкретные практические последствия этих исследований. Представленные же сочинения связаны с высшими проявлениями творческого гения человека. Мотивы, управляющие учеными, сложнее и глубже той простой и непосредственной пользы, которую можно извлечь из знаний. Удовлетворение фундаментальных духовных интересов человека – создание картины мира и постоянный поиск законов его развития – вот что вело и ведет людей по пути, который мы проследили на протяжении последних пяти веков. Решение даже малого вопроса на грандиозном поприще науки, когда часто единственной и высшей наградой является духовное удовлетворение от процесса познания,– вот что ищет человек и что он стремится передать другим в вечной эстафете знаний.
Расположение материала по отделам знаний традиционно и следует исторически сложившейся дифференциации знаний. Внутри же каждого раздела составитель следовал хронологии. Однако прп суждении о характере знаний данной эпохи полезно спроектировать содержание так, чтобы сблизить одновременно появившиеся труды, принадлежащие разным отделам, поскольку таким путем можно легко уловить доминирующие в данную эпоху умонастроения. Так, в XVIII веке хорошо видно стремление к точному научпому описанию природы. Недаром с работ Лавуазье, Линнея, Галлера начинаются соответственно современная химия, биология, физиология. Доминирующим мотивом XIX века стала проблема эволюции (Кант, Геттон, Ламарк, Кювье, Дарвин).
Однако в XX в. снова стал существен синтетический подход, столь сильный в прошлом, особенно в XVII в. Но современный синтез проявляется не столько в создании некоей новой метанауки, сколько в характерном для нашего времени развитии проблем на стыках наук. Конкретно это проявляется в том, что в традиционную классификацию уже трудно уложить события современной науки: в какой раздел следует, например, поместить книгу физика Шредингера «Что такое жизнь...», которая в равной мере принадлежит физиологии, генетике и физике? Однако мы видим, что именно на контактах старых дисциплин возникают в настоящем наиболее интересные точки роста науки. Так родились биофизика и биохимия, геофизика, биогеохимия. Еще более широкие границы перекрывают попытки построения новых синтетических дисциплин, из которых, наверное, самой известной является кибернетика. Таким образом цементируется все здание науки, в то время когда центробежные силы специализации стремятся разгородить отрасли знаний о природе на узкие, мало связанные отделы, не имеющие, казалось бы, ничего между собой общего, кроме как свой главный объект.
Знакомство с предисловиями ставит перед нами вопрос об их форме и стиле. Удивительно то, насколько их стиль и форма мало изменились за рассматриваемый период по сравнению со способом изложения основного содержания работ. На смену геометрическому методу, унаследованному от античных классиков, пришел аналитический метод. Наглядные же графические образы играют теперь все большую роль в представлении информации. За истекшие века необычайно обогатился наш научный язык. Однако эти изменения менее всего коснулись вступлений; по существу современные предисловия пишутся по тем же канонам и почти теми же словами, что и 400 лет тому назад, когда и сейчас перед автором стоят те же задачи, что и тогда: всегда на нескольких страницах он должен для широкого крута читателей дать свое credo. Эти обстоятельства ставят всех авторов в равное положение перед читателем и придают ту удивительную однородность всему материалу сборника, на которую нельзя не обратить внимания.
Заслуживает внимания поэтика предисловий, рассматриваемых как литературные произведения. Замкнутые по форме, они имеют свою экспозицию и концовку. Именно поэтому эти фрагменты могут существовать сами по себе и, будучи оторванными от основного текста, они мало что теряют. Предисловия часто пишутся отдельно, тогда, когда автор уже сам смотрит на свое сочинение несколько со стороны, перед тем как выпустить его в свет. Это нашло свое отражение в издательском приеме пагинации предисловий, страницы которых обычпо отмечены римскими цифрами, и в авторской традиции датировки. Однако важнее всего то, что этим нескольким страницам автор уделяет исключительное внимание и поэтому их следует принимать как наиболее ответственные документы истории науки. Это нашло свое отражение в том, что предисловия несомненно цитируются чаще, чем основное сочинение. С другой стороны, многие из этих научных миниатюр можно рассматривать как лучшие и высшие образцы научной прозы, когда‑либо написанные. Последнее обстоятельство заставляет уделить много сил и внимания их переводам. Переводы же, заимствованные из других изданий, в большинстве своем сделаны или отредактированы крупными отечественными учеными, среди которых мы находим академиков Н. И. и С. И. Вавиловых, А. Н. Крылова, Д. Н. Прянишникова, К. А. Тимирязева, А. Ф. Иоффе и многих других. Следует заметить, что и собственные труды этих выдающихся ученых содержат интересные предисловия. Однако в них, так же как и в ряде других весьма значимых сочинениях, предисловия не в полной мере отвечают плану книги.
Законченность предисловий по существу не допускает их сокращения. В тех же редких и всегда оговоренных выше случаях, когда только лишь из соображений объема составитель вынужден был сокращать текст, это всегда делалось так, чтобы не нанести ущерба ни мыслям автора, ни интересам читателя. В случаях, когда составитель обратился к введениям, естественно, что сам процесс цитирования больше нарушал ткань авторского изложения.
При работе с материалом составитель не мог не обратить внимание на то, что основной интерес представляют предисловия к первым изданиям. Написанные тогда, когда автор еще не подвержен воздействию последствий своей работы, в предисловии к первому изданию он полнее всего раскрывает свои намерения, не пытаясь что‑либо оговорить и исправить, как это постоянно бывает в переизданиях. Более того, есть ряд случаев, когда наибольший интерес представляет предисловие даже не к общепризнанному главному труду, а к тому, который ему предшествовал, но в котором уже нашли свое выражение основные мысли автора. Несомненно, предисловия могут служить ценным источником к познанию психологии творчества ученого и дают материал для суждения о типе и масштабе его мышления. Заметим, что предисловия, являясь в высшей степени личным посланием автора, в преобладающем большинстве случаев написаны от первого лица.
Предисловия часто становились ареной жестоких идеологических схваток. Укажем на предисловие издателя к труду Коперника, где благочестивый лютеранский монах Осиандер стремился представить теорию Коперника лишь как удобный способ описания солнечной системы, а не как истинную картину мира. Напомним о гневном предисловии Котса к третьему изданию «Начал», где молодой ученик Ньютона выступает против картезианства и Лейбница.
Наконец, мы обратим внимание на то, что вся совокупность материала книги приводит к убеждению о глубокой связи человеческих чувств и мыслей. Именно тогда, когда мы приближаемся к пх высшим проявлениям, то в поэзии науки и драме идеи мы видим, что расстояние между типом мышления ученого точных наук и образным мышлепп‑ем художника, что принято называть двумя культурами, совсем не так велико, как это иногда представляют. Хотелось бы надеяться, что настоящий сборник поможет преодолению этпх рубежей, возникших, быть может, из‑за стремительности роста самой культуры, тогда когда в ее разделении сталп искать оправдание недостаточной полноты.
В этом сборнике составитель ограничил себя естественными науками. Однако пичто не мешает применить развитый подход и к другим областям. Более того, даже в художественной литературе писатели часто обращаются к предисловиям и выражают в них свои точки зрсиия на те или иные общие вопросы. Примером может служить предисловие Виктора Гюго к его исторической драме «Кромвель»: этот страстный манифест французской романтической литературы пережил саму пьесу, которая написана по там же приведенным эстетическим установкам. Поучительно сравнение предисловий к книгам по истории, где авторы со времен Фукидида традиционно формулируют свое мировоззрение и метод. Так, каждый, кому интересен подход к русской истории, с пользой прочтет предисловия Н. М. Карамзина или С. М. Соловьева к их известным книгам по истории России.
Большой интерес представляют предисловия к трудам в области экономики. Читателю можно посоветовать ознакомиться с двумя страница‑ми, которыми Адам Смит предваряет свое «Исследование о причинах и природе богатства народов». Классическим является предисловие Карла Маркса «К критике политической экономии», где на пяти страницах дано непревзойденное по ясности и совершенное по форме краткое изложение сущности исторического материализма.
Методологическая цеппость собранного выше материала очевидна. Более того, именно эта сторона в трудах классиков науки представляет для нас сегодня особый интерес. Содержание избранных сочинений давно уже стало достоянием пе только науки, оно вошло в плоть и кровь нашей материальной и духовпой культуры. Однако непреходящее значение имеют документальные свидетельства о мотивах и методах работы ученых минувших дней, ц если составителю удалось достаточно убедительно иллюстрировать величественный путь, пройденный наукой за последние пятьсот лет, то он будет считать свою задачу выполненной.
Сочинения, представленные в сборпике, никоим образом не являются редкими. Болев того, преобладающее большинство трудов вышло в виде отдельных изданий на русском языке и снабжено, как правило, обширными комментариями, а также биографиями авторов, написанными видными учеными. Особенно выделяются великолепно изданные Академией наук СССР книги серии «Классики науки», выходящей с 1947 г., и начатой еще до первой мировой войны серии «Классики естествознания». Большинству авторов посвящены также отдельные исследования и биографии. Не указывая всех использованных материалов, составитель хотел бы отметить большую роль, которую сыграли для него «Большая Советская Энциклопедия» (2‑е издание было также принято за нормативное при транскрипции имен). Наконец, неоценимую помощь составителю оказали как фонды, так и справочный аппарат Библиотеки Академии наук в Ленинграде и Библиотега им. В. И. Ленина в Москве. Без помощи этого величайшего книгохранилища мира, а с другой стороны, и его скромной сестры – библиотеки Института физических проблем АН СССР, работа составителя была бы вряд ли возможна.
При подборе материала по биологическим проблемам большую помощь оказали советы академиков В. А. Энгельгардта и П. К. Анохина. Составитель также благодарен академику Б. М. Кедрову за поддержку и внимание к работе и подробное обсуждение рукописи в Институте истории естествознания и техники АН СССР.
Большинство текстов сверены с оригинальными изданиями, и во многих случаях были внесены необходимые поправки и дополнения. Четвертая часть всех вступлений была переведена специально для этого издания. Составитель хотел бы отметить помощь Л. А. Вайнштейна, взявшего на себя также труд перевода с немецкого интереснейшего введения к «Astronomia Nova» Кеплера, и Ф. А, Петровского, сверившего этот перевод с латинским оригиналом; составитель благодарен М. Е. Сер‑гиенко за перевод с латинского вступления к труду Галлера, И. Н. Веселовскому – за перевод Герике, В. Ф. Шухаевой –за помощь в переводах с французского, Е. В. Смоляницкоп – за переводы с немецкого и содействие в организации работы над книгой, Н. Г. Эл кониной, Ю. И. Матвееву, Ю. Г. Зайончику и Ф. С. Капица – за большую помощь в оформлении рукописи.
При отборе портретов составитель стремился использовать рисунки и гравюры, изображающие авторов в том возрасте, когда опи писали приведенный нами труд. В подборе портретов составитель использовал знаменитую коллекцию гравюр Государственного Эрмитажа в Ленинграде, гравюры Музея изобразительных искусств им А. С. Пушкина и собрания портретов ученых в Ипститутс истории естествознания и техники в Москве, Института истории науки в Штутгардте, Немецкого Музея в Мюнхене, Кавендшпской лаборатории в Кембридже и, наконец, собрание портретов ученых, находящееся у академика П. Л. Капица.
Учитывая всю сложность представленного издания как первой попытки такого подхода к прошлому науки, составитель был бы очень обязан за замечания и предложения читателей, которые следует направлять по адресу: Москва В‑334, Воробьевское шоссе, 2, Институт физических проблем АН СССР.
Л.М.Барков
Вопрос о роли эксперимента в физике, казалось бы, очень простой, и ни у кого не вызывает сомнений, что эксперимент является фундаментом, на котором построены все наши представления о структуре окружающего нас мира. Однако, вопрос этот не так прост, если рассматривать его с точки зрения вечного спора между теоретиками и экспериментаторами по поводу того, что важнее: теория или эксперимент.
Прежде всего уточним, что имеется в виду, когда речь идет о теории и эксперименте. Согласно Советскому энциклопедическому словарю (М.: Сов. энциклопедия, 1980), эксперимент – это чувственно-предметная деятельность в науке (с. 1551), а теория – это система основных идей в той или иной отрасли знания (с. 1330), причем практика, т.е. эксперимент, является критерием истинности и основой развития теории.
Поскольку я работаю в области ядерной физики и физики элементарных частиц уже более 50 лет, мне легко проследить, как теоретики и экспериментаторы, тесно взаимодействуя друг с другом, открыли целый мир элементарных частиц, о существовании которого каких-то 100 лет назад ученые даже не догадывались. Около 100 лет назад, в самом конце XIX в., были открыты электрон и радиоактивность атомов. До этого считалось, что атомы неделимы. Однако то, как устроены атомы, оставалось непонятым. Только после опытов по рассеянию альфа-частиц на атомах золота, проведенных Резерфордом в 1912 г., стало очевидно, что в центре атома находится массивное положительно заряженное ядро размером, в десятки тысяч раз меньшим, чем размер атома. Попытка объяснить строение атомов была предпринята Н.Бором, сформулировавшим постулаты, согласно которым электроны в атомах могут двигаться во-круг ядра только по фиксированным орбитам. Но модель Бора оставляла без объяснения вопрос, почему электроны не падают на ядро из-за электромагнитного излучения.
Только после создания квантовой волновой механики удалось сформулировать теорию, последовательно и с высокой точностью описывающую строение атомов. Квантовая механика с ее непривычными с точки зрения классической физики представлениями о волновой природе движения частиц, в том числе точечных, была в конце концов признана правильной, так как ее и только ее предсказания соответствовали результатам бесчисленных экспериментов. Для описания движения частиц квантовая механика использует комплексные волновые функции, без которых не удается описать, например, прохождение точечного объекта, падающего на непрозрачный экран с двумя щелями так, как будто он проходит через обе щели одновременно. Человек, привыкший воспринимать природу через чувственно-предметную деятельность, долго привыкал к новым представлениям о сущности процессов в микро-мире. Несмотря на то что квантовая механика продемонстрировала свою способность рассчитывать процессы, происходящие в микромире, ощущение недопонимания внутренних основ этой загадочной теории остается. Главный параметр теории – постоянная Планка – до сих пор известен только из эксперимента.
После создания квантовой механики последовало открытие нейтрона, в результате чего стало ясно, что ядра состоят из нейтронов и протонов, связанных сильными ядерными силами. Примерно в то же время была создана теория бета-распада, в которой было введено представление о новом виде взаимодействий – так называемых слабых взаимодействиях, приводящих к тому, что из ядер вылетают электроны и нейтрино – нейтральные частицы с полуцелым спином и массой, близкой к нулю. Перед войной было открыто деление ядер, после чего наступил “золотой век” ядерной физики. Было создано ядерное оружие невиданной разрушительной силы, правительства ряда стран стали выделять очень большие деньги на работы в области ядерной физики. Стали строиться ускорители частиц высоких энергий для изучения ядерных сил, действующих между ядрами и открытыми к тому времени элементарными частицами.
Поскольку сразу после войны в космических лучах были обнаружены предсказанные японским теоретиком Юкавой кванты поля ядерных сил – пионы, от новых экспериментов не ждали новых крупных открытий. Многим казалось, что главные частицы, из которых состоит окружающая нас материя, уже открыты, а другие не нужны. Так, никому не был нужен открытый в космических лучах мюон, который первоначально приняли за предсказанный Юкавой квант поля ядерных сил. Оказалось, что он, как и электрон, не обладает ядерными взаимодействиями, но в 200 раз его тяжелее и распадается за две микросекунды на электрон и два нейтрино. Но после того как в космических лучах обнаружили так называемые странные частицы, странность которых заключалась в том, что они охотно рождались при взаимодействии первичных космических частиц и неохотно распадались на сильно взаимодействующие более легкие частицы, стали искать их и на ускорителях. Последовало открытие за открытием, и в течение примерно 20 лет было от-крыто несколько сотен элементарных частиц. Некоторые были довольно долгоживущие, некоторые – короткоживущие.
Если вспомнить пору, когда Эйнштейн сделал свои великие открытия, то он говорил тогда, что ему достаточно знать массу электрона, чтобы построить всю систему мироздания. В те далекие времена многим казалось, что мир устроен очень просто. Как показало развитие физики, мир устроен очень непросто. Физика элементарных частиц дала много примеров того, как наивные утверждения о простоте или о “красивости” заводили ученых в тупик. Дело еще и в том, что научных гипотез, объясняющих экспериментальные данные, обычно несколько и лишь одна из них, единственно верная, со временем становится научной теорией. Только эксперимент позволяет найти правильный путь в познании законов природы. Можно привести много примеров теоретических построений, которые пошли “в корзину”, поскольку они противоречили при проверке данным эксперимента. Каждая новая теория, в сущности, является гипотезой, теорией она становится после того, как ее предсказания подтверждаются в экспериментах. При этом есть теории, роль которых сводится в основном к систематизации накопленных экспериментальных данных, и они, разумеется, могут быть очень полезны. А есть и такие, которые, опираясь на экспериментальные данные, предсказывают явления, невероятные с точки зрения сложившихся ранее представлений.
Примерами такой теории являются специальная теория относительности Эйнштейна, квантовая механика и квантовая электродинамика. Если созданию квантовой механики предшествовал долгий период мучительных поисков теории, объясняющей большое количество экспериментальных фактов, относящихся к строению атомов и атомным переходам, то квантовая электродинамика возникла для объяснения результатов измерения лэмбовского сдвига в атоме водорода уже в конце 40‑х годов. Дело в том, что к этому времени была освоена и хорошо проверена на опыте не только обычная квантовая механика, но и уравнение Дирака, описывающее на очень высоком уровне точности поведение частиц с полуцелым спином, таких как электрон. Оказалось, что в кулоновском поле заряженных частиц происходят удивительные процессы рождения виртуальных частиц – фотонов и электрон-позитронных пар, в результате чего точечные частицы окружаются, особенно на самых малых расстояниях, облаком виртуальных частиц.
Эксперименты по измерению лэмбовского сдвига продолжались не один десяток лет и со все возрастающей точностью подтверждали правильность новой теории – квантовой электродинамики, которая сегодня считается самой совершенной теорией, описывающей электромагнитные взаимодействия элементарных частиц. В настоящее время с помощью квантовой электродинамики рассчитана с точностью в одну миллиардную величина аномального магнитного момента электрона. С такой точностью удается оценить распределение зарядов и токов в облаке виртуальных частиц вокруг точечного электрона, из-за наличия которых и возникает аномальный магнитный момент. Оказалось, что результаты одного из самых точных теоретических расчетов совпадают с экспериментом, являющимся одним из самых точных в физике элементарных частиц. Такого рода теории по своей созидательной силе не уступают эксперименту. Первоначально трудно поверить, что природа устроена именно так.
Другим красивым примером сложной и удивительной теории является теория кварков, которая гласит, что все сильновзаимодействующие элементарные частицы сделаны из особых частиц – кварков, имеющих полуцелый спин, дробный заряд, равный 1/3 или 2/3 заряда электрона. Согласно кварковой модели протон состоит из двух u -кварков с зарядом +2/3 и одного d -кварка с зарядом –1/3, а нейтрон – из одного u - и двух d -кварков. Каждый кварк обладает барионным зарядом 1/3, так что протоны и нейтроны имеют единичный барионный заряд, который строго сохраняется при всех взаимодействиях. Мезоны состоят из кварка и антикварка. Например, положительно заряженный пион состоит из u -кварка и анти-d -кварка. Пикантность ситуации заключается в том, что экспериментально ни тогда, ни позднее никаких частиц с дробным зарядом в свободном состоянии не было обнаружено, несмотря на большое количество экспериментов по их поиску. Прошло несколько десятилетий, прежде чем скептически мыслящие ученые смирились с этой теорией, видя, что ей нечего противопоставить и что только ее предсказания соответствуют результатам эксперимента.
С помощью теории кварков удалось провести всю классификацию элементарных частиц. Правда, для спасения принципа Паули, запрещающего частицам с полуцелым спином находиться в одном квантовом состоянии, пришлось ввести понятие “цвет”, так что каждый кварк может находиться в трех цветовых состояниях. Только при этом дополнении удалось классифицировать все наблюдаемые на опыте элементарные частицы. Наличие трех цветовых состояний у кварков было позднее подтверждено в экспериментах на встречных электрон-позитронных пучках, когда оказалось, что количество рождающихся при аннигиляции частиц, расчитанное по формулам квантовой электродинамики, требует утроения числа каналов аннигиляции.
Согласно теории кварков взаимодействие между ними осуществляется глюонами – цветными безмассовыми частицами со спином 0 или 1. В соответствии с кварковой моделью кварки не могут наблюдаться в свободном состоянии именно из-за наличия цвета у каждого отдельного кварка. В свободном состоянии могут находиться составленные из кварков частицы, только в бесцветном состоянии. Так, протон и нейтрон составлены из красного, синего и желтого кварка, так что цвет протонов и нейтронов оказывается белым. Помимо двух главных кварков, из которых построены протоны, нейтроны и пионы, открыто еще четыре более тяжелых кварка – s , c , b и t -кварки. Самый тяжелый из них примерно в 200 раз тяжелее протона.
Силы взаимодействия между кварками оказались непохожими на другие известные силы. Гравитационные и электрические силы квадратично спадают с расстоянием, короткодействующие ядерные – экспоненциально, а силы, действующие между кварками, не уменьшаются при увеличении расстояния между двумя кварками. Поэтому, когда, например, на установках со встречными пучками происходит аннигиляция электронов и позитронов и в результате образуются кварк и антикварк, их разлет тормозится за счет силы притяжения, не спадающей с увеличением расстояния. Такое поведение силы соответствует появлению натянутой струны. Чем большей кинетической энергией обладают родившиеся при аннигиляции кварки, тем дальше они могли бы разлететься. Но когда запасенная в струне энергия оказывается достаточной для образования пар кварков и антикварков нужных цветов, вся конструкция немедленно превращается в бесцветные мезоны, и именно они наблюдаются в экспериментах. Когда энергия частиц в коллайдере очень велика, родившиеся мезоны вылетают в виде двух струй, летящих в направлении движения двух первоначально родившихся кварков. Распределения частиц по углам вылета и по энергиям согласуется с ожидаемым.
Такая теория, описывающая поведение сильновзаимодействующих частиц – адронов и названная квантовой хромодинамикой, безукоризненно описывает огромный объем экспериментальных данных, накопленных при изучении свойств сотен элементарных частиц, их взаимодействий и взаимных превращений. Но главный аргумент, свидетельствующий в пользу ее правильности, состоит в том, что все ее предсказания экспериментально подтверждаются.
Параллельно со становлением кварковой картины происходило накопление данных в секторе ядерно не взаимодействующих частиц – лептонов. Помимо электрона и мюона со своими электронным и мюонным нейтрино был открыт тау-лептон, в 3,5 тыс. раз более тяжелый, чем электрон, распадающийся по большому количеству каналов на более легкие элементарные частицы, но обязательно с участием своего тау-нейтрино. Таким образом, число лептонов оказалось равным числу кварков, что послужило основанием для гипотезы о симметрии в секторе лептонов и кварков.
Еще один революционный скачок в понимании законов природы произошел после того, как Вайнберг и Салам сформулировали гипотезу о единой теории электромагнитного и слабого взаимодествия, согласно которой вся разница связана с массой квантов поля – переносчиков слабого и электромагнитного взаимодействий. Согласно модели переносчиком электромагнитного взаимодействия является безмассовый фотон, а слабого – его “родные братья”, векторные заряженные W -бозоны и ней-тральный Z -бозон с массой в 100 масс протона. При этом слабость слабого взаимодействия обязана коротко-действию сил, которые почти в 1000 раз более короткодействующие, чем ядерные.
Теория Вайнберга – Салама вместе с квантовой хромодинамикой позволяют объяснить все наблюдаемые в настоящее время явления в мире элементарных частиц. Ожидается, что в ближайшие годы будут найдены бесспиновые хиггсовские бозоны, которые требуются для обоснования модели Вайнберга – Салама. Проектируются и строятся ускорители, по энергии на порядок большие, чем действующие. На них ожидается открытие новых тяжелых частиц, предсказываемых современными теориями Великого объединения.
Какие теории окажутся верными, может сказать только опыт. Так всегда было и так будет. Сколько времени может занять создание единой теории материи, сказать трудно, легче предсказать, сколько времени потребуется на строительство конкретных, гигантских по старым меркам, установок, которое уже запланировано на 10–20‑летний срок. За это время будет исследован диапазон энергий в системе центра масс вплоть до 14 ТэВ на протон-протонных и электрон-позитронных коллайдерах. Завершится строительство гигантских детекторов гравитационных волн, что даст возможность изучать крупномасштабные процессы во Вселенной на протяжении всей истории ее существования. Возможно, удастся найти и изучить с помощью развиваемых в настоящее время методик темную материю во Вселенной.
Вообще, работы по астрофизике будут иметь приоритетное значение наряду с работами по физике элементарных частиц. Дело в том, что эти две науки оказываются все более связанными друг с другом в русле изучения проблем Большого взрыва, от которого нам в наследство остались вещество во Вселенной и реликтовое микроволновое излучение. Переход в исследованиях в области физики элементарных частиц на более высокий уровень энергий позволит продвинуться в анализе явлений, происходивших на ранних стадиях развития Вселенной, когда температура вещества соответствовала температурам, возникающим при столкновениях тяжелых ядер, ускоренных до гигантских энергий. Такие эксперименты планируются на строящемся в ЦЕРНе коллайдере LHC. Дальнейшее развитие будут иметь работы по астрофизике на все больших по размерам составных телескопах на Земле и в космосе. Изучение потоков нейтрино из космоса с помощью расположенных под толщей земной поверхности нейтринных детекторов позволит разобраться, что же происходит внутри Солнца, при взрывах сверхновых звезд, какие процессы происходят в ядрах галактик.
Очевидно, что созданная и развитая за прошедшее столетие теория строения материи является далеко не законченной и человечеству предстоит пройти долгий путь до ее полного завершения. Каковы материальные, финансовые и прежде всего интеллектуальные ресурсы, которые человечество может выделить для решения все более сложных вопросов, возникающих по мере продвижения в указанном направлении научных исследований? Может быть, рациональнее использовать эти ресурсы для развития других направлений? Ответ на последний вопрос, очевидно, зависит от того, какие ожидается получить научные результаты и какую практическую пользу для человечества могут принести эти исследования.
Оглянемся на столетие назад. Можно ли было предвидеть, что изучение ядерной физики даст заметные плоды? Очень часто ученые делали пессимистические прогнозы. А между тем была создана наука о строении материи на очень глубоком уровне понимания, открыты источники получения ядерной энергии для нужд человечества, разработаны методики, применяемые на других научных направлениях. Так, ядерные реакторы дают пучки нейтронов, широко использующиеся в научных исследованиях и в медицине. Ускорители заряженных частиц дают пучки синхротронного излучения с уникальными возможностями для изучения свойств самых разнообразных веществ, биологических объектов, для нанотехнологий и т.д. Но может быть, главная заслуга ученых, работающих в физике элементарных частиц, состоит в том, что они создали установки, требующие использования вычислительной техники на самом высоком технологическом уровне. Применение мощной вычислительной техники, почти идеальные условия для проверки ее работоспособности на гигантских ускорительных комплексах способствовало развитию электроники все возрастающими темпами. В настоящее время не видно причин для замедления темпов ее развития. Если за последние 50 лет быстродействие ЭВМ возросло примерно в 1 млрд раз, то по крайней мере технологических причин для снижения темпов дальнейшего столь же значительного продвижения в области быстродействия нет.
Человечество должно быть благодарно природе за предоставленную возможность развивать свои способности и технологии, вкладывая средства в научные исследования, а не в гонку вооружений. В развитых странах Европы, в США, Японии строятся гигантские ускорители, на которые тратятся миллиарды долларов. К сожалению, российская наука сидит без денег, и мы в соревновании за лучшие успехи в научных исследованиях практически не участвуем. Не участвуем в том смысле, что у нас не строятся никакие установки. Между тем лет 10 и даже 50 лет тому назад в нашей стране строились лучшие в мире ускорители, а сейчас на этом, и не только на этом, направлении наблюдается полный крах. Наши ученые, конечно, продолжают работать, но за границей или на старых установках. Перестав участвовать в соревновании на самом престижном научном направлении, мы затормозили и работу западных исследователей. Один из ведущих американ-ских ученых, лауреат Нобелевской премии, назвал нашу страну виновницей прекращения строительства крупнейшего в мире коллайдера SSC со встречными протон-протонными пучками энергией 2 ґ 10 ТэВ и длиной почти 90 км. Конгресс США приостановил финансирование строительства, на которое было уже истрачено около 2 млрд долл., так как после развала Советского Союза соревнование с нашим ускорительным комплексом УНК в Серпухове для американцев потеряло смысл.
Приходится с сожалением констатировать, что в области эксперимента, который, как мы видели, определяет будущее науки, основная часть работы российских ученых будет проходить на Западе или в будущем на Востоке. Это очень печальный факт, но такова современная действительность.
Институт ядерной физики
СО РАН, Новосибирск
Barkov, L.M. The role of experiment in modern physics
The theory of matter structure which has been created during the last century is far from being completed. To complete it perfectly, the mankind has to travel a long road where experiment will play the most important part. However, political, ideological, financial and intellectual factors exert more and more destructive influence on organization and carrying out of experimental research in fundamental physics.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru
Размещено на http://www.allbest.ru
Введение
Развитие общества во многом определяется уровнем наукоемких технологий, многие направления которых основаны на достижениях соответствующих отраслей науки, которые обладают большим многообразием методов исследований, среди которых эксперимент - наиболее эффективное и действенное средство познания, являющееся актуальным для изучения с точки зрения методологии науки.
Несмотря на достаточную степень изученности (эксперимент как метод эмпирического познания берет своё начало ещё в 16 веке), современное описание эксперимента, выявление его сути встречает ряд сложностей.
Сложность заключается в том, что эксперимент как метод науки стоит в центре пересечения практических и познавательных деятельностей, включает признаки чувственного и рационального, эмпирического и теоретического, объективного и субъективного. Другими словами, эксперимент интегрально заключает в себе признаки различных сторон познавательной деятельности и, именно этим, определяется сложность его природы.
Цель- определить основные этапы развития эксперимента как метода эмпирического познания, выявить его место в современных научных исследования, определить глубину взаимосвязи с другими методами эмпирического и теоретического познания.
С помощью поставленной цели, можно определить задачи исследования:
Провести анализ исторического становления эксперимента как метода эмпирического познания;
Определить взаимосвязь эксперимента с другими видами эмпирического познания;
Выявить роль эксперимента в современной науке путем его изучения в контексте экспериментальных и теоретических исследований;
Определить роль экспериментального метода в реализации эксперимента механике.
1. Эксперимент, его виды и функции в научном познании
1.1 Определение и виды экспериментов
Прежде чем говорить об эксперименте как об инструменте эмпирического познания, и о том как экспериментальное исследование осуществляется, необходимо иметь представление о его отличительных признаках, и как он может взаимодействовать с другими различными методами познания. Также необходимо дать определение что же такое эксперимент.
Несмотря на множество возможных определений эксперимента, остановимся на следующем, на мой взгляд наиболее полно его отражающем в контексте названия данного реферата. Эксперимент (лат. experimentum - проба, опыт) - метод эмпирического познания, при помощи которого в контролируемых и управляемых условиях (зачастую специально конструируемых) получают знание относительно связей (чаще всего причинных) между явлениями и объектами или обнаруживают новые свойства объектов или явлений. Эксперименты могут быть натурными и мысленными. Натурный эксперимент проводится с объектами и в ситуациях самой изучаемой действительности и предполагает, как правило, вмешательство экспериментатора в естественный ход событий. Мысленный эксперимент предполагает задание условной ситуации, проявляющей интересующие исследователя свойства, и оперирование идеализированными объектами (последние зачастую специально конструируются для этих целей). Промежуточный статус носят модельные эксперименты, проводимые с искусственно созданными моделями (которым могут соответствовать, а могут и не соответствовать какие-либо реальные объекты и ситуации), но которые предполагают реальное изменение этих моделей. Особый тип экспериментов составляют социальные эксперименты (в частности эксперименты в социологии). По сути, каждое человеческое действие, предпринятое для достижения определенного результата, может быть рассмотрено как своего рода эксперимент. По логической структуре эксперименты делятся на параллельные (когда процедура экспериментирования основана на сравнении двух групп объектов или явлений, одна из которых испытала воздействие экспериментального фактора - экспериментальная группа, а другая нет - контрольная группа) и последовательные (в которых нет контрольной группы, а замеры делаются на одной и той же группе до и после введения экспериментального фактора).
Эксперимент -- наиболее сложный метод эмпирического познания. Он предполагает целенаправленное, активное и строго контролируемое воздействие исследователя на изучаемый объект для изучения и выявления тех или иных свойств, связей, сторон. При этом ученый, проводящий эксперимент или попросту экспериментатор может преобразовывать исследуемый объект, создавать искусственные условия его изучения, вмешиваться в естественное течение процессов. «В общей структуре научного исследования эксперимент занимает особое место. С одной стороны, именно эксперимент является связующим звеном между теоретическим и эмпирическим этапами и уровнями научного исследования. По своему замыслу эксперимент всегда опосредован предварительным теоретическим знанием: он задумывается на основании соответствующих теоретических знаний и его целью зачастую является подтверждение или опровержение научной теории или гипотезы. Сами результаты эксперимента нуждаются в определенной теоретической интерпретации. Вместе с тем метод эксперимента по характеру используемых познавательных средств принадлежит к эмпирическому этапу познания. Итогом экспериментального исследования прежде всего является достижение фактуального знания и установление эмпирических закономерностей».
Эксперимент может включать в себя другие методы эмпирического исследования такие как наблюдение и измерения. В то же время ему присущи некоторые важные особенности.
Во-первых, эксперимент позволяет изучать объект в «чистом» виде, т. е. устранять различные побочные факторы, наслоения, усложняющие процесс исследования.
Во-вторых, в ходе эксперимента объект может быть поставлен в некоторые искусственные или же экстремальные условия. Например изучаться при сверхвысоких или сверхнизких температурах, при чрезмерно высоких давлениях, в вакууме, при гигантских напряженностях электромагнитного поля и т. п. В таких искусственно созданных условиях удается обнаружить удивительные порой неожиданные свойства объектов и тем самым глубже постигать их сущность.
В-третьих, изучая какой-либо процесс, экспериментатор может вмешиваться в него, активно влиять на его протекание. Как отмечал академик И.П. Павлов, «опыт как бы берет явления в свои руки и пускает в ход то одно, то другое и таким образом в искусственных, упрощенных комбинациях определяет истинную связь между явлениями. Иначе говоря, наблюдение собирает то, что ему предлагает природа, опыт же берет у природы то, что хочет».
В-четвертых, важным достоинством многих экспериментов является их воспроизводимость. Это означает, что условия эксперимента, а соответственно и проводимые при этом наблюдения, измерения могут быть повторены столько раз, сколько это необходимо для получения достоверных результатов.
Эксперимент подразумевает воспроизведение искусственных систем позволяющих воздействовать на них методом перегруппировки их частей или подмены иными. Отслеживая при этом изменения в системе (которые квалифицируются как следствия предпринятых действий), можно раскрыть определенные реальные взаимосвязи между элементами и тем самым обнаружить новейшие характеристики и закономерности изучаемых явлений. В естествознании видоизменение критериев и контроль за ними осуществляются за счет применения устройств разного уровня сложности (от звонка в опытах Павлова по условным рефлексам вплоть до синхрофазотронов и т.п. устройств). Эксперимент проводится для решения определенных познавательных задач, продиктованных состоянием теории, однако и сам порождает новые трудности, требующие собственного разрешения в последующих экспериментах, т.е. является и мощным генератором нового знания. Эксперимент позволяет:
1) изучать явление в "чистом" виде, когда искусственно устраняются побочные (фоновые) факторы;
2) исследовать свойства предмета в искусственно создаваемых экстремальных условиях или вызывать явления, в естественных режимах слабо или вообще не проявляющиеся;
3) планомерно изменять и варьировать различные условия для получения искомого результата;
4) многократно воспроизводить ход процесса в строго фиксируемых и повторяющихся условиях.
К эксперименту обычно обращаются:
1) когда пытаются обнаружить у объекта не известные ранее свойства для продуцирования знания, не вытекающего из наличного (исследовательские эксперименты);
2) когда необходимо проверить правильность гипотез или каких-либо теоретических построений (проверочные эксперименты);
3) когда в учебных целях "показывают" какое-либо явление (демонстрационные эксперименты).
Подготовка и проведение эксперимента требуют соблюдения ряда условий. Так, научный эксперимент предполагает наличие четко сформулированной цели исследования. Эксперимент базируется на каких-то исходных теоретических положениях. Он требует определенного уровня развития технических средств познания, необходимого для его реализации. И наконец он должен проводиться людьми, имеющими достаточно высокую квалификацию.
По характеру решаемых проблем эксперименты подразделяются на исследовательские и проверочные. Исследовательские эксперименты дают возможность обнаружить у объекта новые, неизвестные свойства. Результатом такого эксперимента могут быть выводы, не вытекающие из имевшихся знаний об объекте исследования. Примером могут служить эксперименты, поставленные в лаборатории Э. Резерфорда, которые привели к обнаружению ядра атома. Проверочные эксперименты служат для проверки, подтверждения тех или иных теоретических построений. Например, существование целого ряда элементарных частиц (позитрона, нейтрино и др.) было вначале предсказано теоретически, и лишь позднее они были обнаружены экспериментальным путем. Эксперименты можно разделить на качественные и количественные. Качественные эксперименты позволяют лишь выявить действие тех или иных факторов на изучаемое явление. Количественные эксперименты устанавливают точные количественные зависимости. Как известно, связь между электрическими и магнитными явлениями была впервые открыта датским физиком Эрстедом в результате чисто качественного эксперимента (поместив магнитную стрелку компаса рядом с проводником, через который пропускался электрический ток, он обнаружил, что стрелка отклоняется от первоначального положения). После последовали количественные эксперименты французских ученых Био и Савара, а также опыты Ампера, на основе которых была выведена математическая формула. По области научного знания, в которой ставиться эксперимент, различают естественнонаучный, прикладной и социально-экономический эксперименты.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что эксперимент достаточно сложное понятие, имеет непростую структуру и множество видов и классификации. Более подробно, в частности об истории возникновения и развитии эксперимента, а также о его месте в эмпирическом познании и взаимодействии с другими методами остановимся в следующем пункте.
1.2 Эксперимент как эмпирическое познание
Рассматривая эксперимент как один из видов эмпирического познания невозможно не обратить внимания на другие тесно связанные с ним методы. К этим методам относятся наблюдение, описание и измерение.
Наблюдение является чувственным отражением явлений и предметов внешнего мира. «Наблюдение -- это целенаправленное изучение предметов, опирающееся в основном на такие чувственные способности человека, ощущение, восприятие, представление: в ходе наблюдения мы получаем знание о внешних сторонах, свойствах и признаках рассматриваемого объекта». Научное наблюдение отличается от чувственного восприятия целенаправленностью, планомерностью, активностью и организованностью. Связано оно с решением определенной научной проблемы или задачи. Целенаправленность наблюдения связана с наличием предварительных идей, предложений, которые вызывают необходимость в наблюдении.
Научные наблюдения всегда происходят вместе с описанием объекта познания. Эмпирическое описание - это фиксация средствами естественного или искусственного языка сведений об объектах, данных в наблюдении. С помощью описания чувственная информация переводится на язык понятий, знаков, схем, рисунков, графиков и цифр, принимая тем самым форму, удобную для дальнейшей рациональной обработки. Последнее необходимо для фиксирования тех свойств, сторон изучаемого объекта, которые составляют предмет исследования.
Ещё одним методом эмпирического познания является измерение, хотя его можно вполне считать разновидностью наблюдения как метода познания.
Измерение - операция, посредством которой определяется отношение одной (измеряемой) величины к другой однородной величине (принимаемой за единицу); число, выражающее такое отношение, называется численным значение измеряемой величины.
Измерения могут быть прямыми и косвенными. Прямые измерения заключаются в непосредственном измерении самой величины (например, измерение массы тела при помощи гирь), косвенные основаны на известной зависимости между искомой величиной и непосредственно измеряемыми величинами.
Полное измерение (рис. 1) включает следующие элементы: объект измерения («О»), свойство или состояние которого характеризует измеряемая величина («СВ»); единицу времени («ЕИ»); технические средства измерения («ТС»), проградуированные в выбранных единицах; метод измерения («МИ»); наблюдателя или регистрирующее устройство, воспринимающее результат измерения («РУ»); окончательный результат измерения («РИ»).
Рис. 1. Структура измерения
Объединяет эти методы эмпирического познания то, что несмотря на то, что они тесно связаны теоретическими соображениями, они всё же являются разновидностью практической деятельности. Осуществляя рассмотренные эмпирические процедуры мы выходим за рамки чисто логических рассуждений и обращаемся к материальному действию с реальными вещами. В конечном итоге только через посредство такого действия получают подтверждение или опровержение наши представления о действительности. В эмпирических познавательных процедурах наука вступает в непосредственный контакт с отображаемой ею действительностью -- именно в этом заключается громадное значение наблюдения, измерения и эксперимента для научного познания.
Но вернемся к эксперименту. Отличие его от вышеперечисленных методов научного исследования в том, что сначала формируется гипотеза, а все наблюдения и измерения направлены на её подтверждение или опровержение. Зарождение экспериментального метода наблюдалось ещё в работах Леонардо да Винчи, но для его развития у него не было соответствующих технических возможностей и условий, как и не была разработана четкая логическая структура этого метода. Тем не менее его можно считать предшественником Галилея, который дал начало экспериментальному методу Нового времени. Положил начало этому он изобретением двух важнейших инструментов: сложного микроскопа (около 1590 г.) и телескопа (около 1608 г.). Галилей в отличие от натурфилософов отказался объяснять явления природы с помощью скрытых сил и натурфилософских принципов, уходя при этом от умозрительности к специальным экспериментам, и как бы при помощи их «задавая» вопросы природе путем выдвижения определенных гипотез. Чтобы получить на них ответы, необходимо так сформулировать вопрос, чтобы получить на него вполне однозначный и определенный ответ. Для этого следует так построить эксперимент, чтобы по возможности максимально изолироваться от воздействия посторонних факторов, которые мешают наблюдению изучаемого явления в "чистом виде". В свою очередь гипотеза, представляющая собой вопрос к природе, должна допускать эмпирическую проверку выводимых из нее некоторых следствий. В этих целях, начиная с Галилея, стали широко использовать математику для количественной оценки результатов экспериментов.
Таким образом, новое экспериментальное естествознание в отличие от натурфилософских догадок и умозрений прошлого стало развиваться в тесном взаимодействии теории и опыта, когда каждая гипотеза или теоретическое предположение систематически проверяются опытом и измерениями. Именно благодаря этому Галилею удалось опровергнуть прежнее предположение, высказанное еще Аристотелем, что путь падающего тела пропорционален его скорости. Предприняв эксперименты с падением тяжелых тел (пушечных ядер), Галилей убедился, что этот путь пропорционален их ускорению, равному 9,81 м/с2. Из астрономических достижений Галилея следует отметить открытие спутников Юпитера, а также обнаружение пятен на Солнце и гор на Луне, что подрывало прежнюю веру в совершенство небесного космоса.
Галилей обратился к математической обработке, чем и положил начало экспериментальному методу, благодаря чему ему удалось опровергнуть предположение о том, что путь падающего тела пропорционален скорости, хотя в действительности он пропорционален ускорению. По средствам понятия инерции Галилей показал также, что совершенным или идеальным движением должно считаться не движение по окружности, а равномерное движение по прямой линии.
Открытия Галилея стали завершающими в построении механической картины мира, в основе которой легло представление о том, что окружающий мир человека управляется универсальными детерминическими законами. Принцип механического детерминизма выражает суть механической картины мира. Согласно этому принципу мир - механическая система, каждое состояние которой точно определено предыдущим состоянием. Поэтому стали полагать, что в мире нет ничего случайного, а если некоторые явления кажутся случайными, это означает, что его причины пока не открыты. Стало считаться что в самом мире всё связано непрерывными причинами и следствиями и поэтому всё предопределено. Именно идеи закономерности связей которые господствовали в астрономии, механике и физике оказали огромное влияние на поиск ответов в области социологии. Первым это озаботило Огюста Конта, который стал родоначальником нового научного понимания общества - позитивизма, пытавшегося поставить философии в ряд частных наук. Он пришел к заключению, что необходимо и в общественных науках отказаться от умозрительности и начать изучение конкретных фактов социальной жизни, тщательно их систематизировать, обобщать и описывать как естествознание. Этим путем он предполагал и надеялся создать социологию как своеобразную социальную физику. Конт выразил мысль, что традиционные проблемы метафизики являются принципиально не решаемыми и не приносят никакой пользы науке, поэтому задачами позитивной философии он считал описание, систематизацию и классификацию конкретных результатов и выводов научного познания. Но все же позитивизм возник в 19 веке, а до него благодаря трудам Галилея было совершено немало грандиозных открытий и изобретений к которым можно отнести изготовленную в 17 веке выдающимся астрономом Гевелием первую карту Луны, усовершенствование Тихо Браге техники наблюдений и измерений астрономических явлений, открытие закона функционирования линз Кеплером, исследования давления атмосферы Торричелли, установление причины цветов тела Ньютоном, а также разработка им эмиссионной и волновой теории света. Применения экспериментального метода дало серьёзный толчок бурному расцвету анатомических исследований Везалия и Гарвея, заложившего основы экспериментальной физиологии, учению о гелиоцентрической системе Коперника и созданию классической механики Ньютоном. Без эксперимента не обошлось и развитие биологии в 18 веке. Г. Мендель открыл законы наследственности, скрещивая семена гороха в течение восьми лет, исследуя бактерии Луи Пастер показал, что они присутствуют в атмосфере, распространяются капельным путем и их можно разрушить высокой температурой. Исследования Фарадея по электрическим явлениям, работы Максвелла и Герца по электродинамике, изучение явления радиоактивности Беккерелем, открытие первой элементарной частицы (электрона) Томпсоном, создание специальной теории относительности Эйнштейном - все эти открытия обязаны своей природой экспериментальному методу исследования.
Итак, теоретически эксперимент был обоснован впервые в работах Ф. Бэкона, последующая разработка идей которого связана с именем Милля. Монопольное положение эксперимента было поставлено под сомнение только в 20 в., прежде всего в социогуманитарном знании, а также в связи с феноменологическим, а затем и герменевтическим поворотом в философии и науке, с одной стороны, и тенденцией к предельной формализации (математизации) естествознания - с другой (появление и рост удельного веса математических модельных экспериментов).
2. Реализация эксперимента в науке и технике
2.1 Специфика современных экспериментальных и теоретических исследований
Сложность в раскрытии сущности эксперимента заключается в том, что он как метод науки стоит в центре пересечения практических и познавательных деятельностей, включает признаки чувственного и рационального, эмпирического и теоретического, объективного и субъективного. Другими словами, эксперимент интегрально заключает в себе признаки различных сторон познавательной деятельности и, именно этим, определяется сложность его природы, трудности определения. Хотя он и имеет общие черты с практикой, но к ней совсем не сводится, так как служит все же методом познания, обладает гносеологическими признаками; имея общие черты с наблюдением, он не исключает и операций логического характера, что сближает его с формами теоретической деятельности, но не настолько, что бы полностью в них раствориться и потерять свою эмпирическую основу. Таким образом, сущность эксперимента заключается в том, что в нем сочетаются приемы практического, чувственного и рационального познания. Стало быть, в познавательном цикле осуществляется сложная система взаимодействий. При этом элементы процесса познания испытывают воздействия окружающей среды, а исследователь - также и различных компонентов общества. Анализ этих сторон и позволяет раскрыть природу эксперимента - научного метода.
По форме эксперимент сближается с деятельностью, в которой принимают участие субъект (исследователь) и объект (объект исследования), средства их взаимного воздействия и сама деятельность, в результате которой реализуется субъективная цель, видоизменяется объект, принимающий удобную форму для обеспечения потребностей человека. В эксперименте выделяются также субъект и объект познавательного действия, практические средства познания (приборы и инструменты), и само действие, направленное на изменение объекта.
Итак, эксперимент с самого начала выделяется в особый вид практики, предпринимаемой с целью получения нового знания и проверки старого.
В контексте выше сказанного следует отметить, что особенность эксперимента проявляется не просто в наличии практического действия, а в создании особой приборной ситуации, экспериментальной установки. Она состоит из элементов естественной и искусственной природы, а ее целостное функционирование и выступает в качестве объекта исследования. Создав такую установку, исследователь изучает ее функционирование, влияет на нее путем перегруппировки элементов, их элиминирования, заменой новыми и так далее, то есть активно изменяет объект изучения, его структуру. Наблюдая за возникающими следствиями, ученый выявляет скрытые от непосредственного наблюдения, но объективные свойства предметов и явлений.
При этом в процессе эмпирического исследования на изучаемый объект действительно влияет прибор, а иногда полностью его моделирует, но это не искажает реальных свойств изучаемых явлений, наоборот, служит единственным средством практического их выявления. Дело в том, что прибор (экспериментальная установка), хотя и сделан руками человека, представляет собой часть реального мира, функционирует в полном соответствие с законами природы. Конструируя сложные технические системы в качестве средств познания, человек не удаляется от мира, а приближается к нему. Как известно в природе предметы и явления существуют не изолированно друг от друга, а находятся во взаимодействии, образуя тем самым целостную систему материального мира. Каждый уровень структурной организации материи связан с другим уровнем. Микропроцессы так или иначе дают о себе знать через макроявления, в противном случае они никогда бы не были открыты и познаны. Приводя микрообъекты во взаимодействие с приборами (то есть макрообъектами), мы поступаем в полном соответствии с законами природы. Приборы становятся единственным и наиболее надежным средством практического познания.
Таким образом, прибор - важнейшее средство познания, а его использование - отличительная особенность эмпирического, в том числе и экспериментального, исследования. Специфика прибора в той или иной мере обусловливает и специфику разновидностей эмпирического познания. Поэтому большое значение имеет классификация приборов. Их можно подразделить на пять основных групп:
1) приборы, увеличивающие силу и диапазон чувственного восприятия (микроскопы, рентгеновские установки);
2) измерительные приборы (линейки, часы, барометры, термометры, расходомеры, измерители влажности, манометры);
3) технические устройства, позволяющие расчленить предметы, проникнуть в их внутреннюю структуру (ускорители, центрифуги, фильтры, призмы);
4) технические системы, обеспечивающие необходимые для эксперимента условия (вентиляторы, компрессоры, система электроснабжения, а также фактически сама опытная установка;
5) фиксирующие приборы (кино-, фото-, телеаппаратура, электроскопы, осциллографы, потенциометры, различные индикаторы, и т.д.).
В современном научном познании, как правило, применяются не отдельные приборы, а их комплекс.
Эксперимент как деятельность, имеющая внешние и внутренние, объективные и субъективные признаки, распадается на ряд этапов, сочетание которых раскрывает его логическую структуру. До некоторого (недавнего) момента времени его специфика ограничивалась лишь сбором опытных данных, то есть непосредственным экспериментированием, из которого выпадали подготовительная и заключительная стадии. Считалось, например, что логическая обработка данных выходит за рамки чисто экспериментального исследования и относится к разряду теоретического познания.
В настоящее время, стало ясно, что простые логико-математические операции входят в структуру эмпирического исследования, частью которого является эксперимент. И, без некоторой, хотя бы минимальной обработки данных опыта, то есть без особой теоретической части, эмпирическое исследование не существует.
Исходя из этого, можно утверждать, что эксперимент вовсе не ограничивается лишь проведением опыта и получением исходной информации, а складывается из этапов, на каждом из которых по-своему сочетаются элементы чувственного, практического и теоретического познания. К ним можно отнести следующие:
1) подготовительный - проверка экспериментальной установки, измерительных приборов, объекта исследования;
2) этап проведения эксперимента и получение опытных данных;
3)этап обработки опытных данных, или заключительный.
Характерная особенность эксперимента как специального метода эмпирического исследования заключается в том, что он обеспечивает возможность активного практического воздействия на изучаемые явления и процессы. Исследователь здесь не ограничивается пассивным наблюдением явлений, а сознательно вмешивается в естественный ход их протекания. Он может осуществить такое вмешательство путем непосредственного воздействия на изучаемый процесс или изменить условия, в которых происходит этот процесс. И в том, и другом случае результаты испытания точно фиксируются и контролируются. Таким образом, дополнение простого наблюдения активным воздействием на процесс превращает эксперимент в весьма эффективный метод эмпирического исследования. Этой эффективности в немалой степени содействует также тесная связь эксперимента с теорией. Идея эксперимента, план его проведения и интерпретация результатов в гораздо большей степени зависят от теории, чем поиски и интерпретация данных наблюдения. B настоящее время экспериментальный метод считают отличительной особенностью всех наук, имеющих дело с опытом и конкретными фактам и действительно, огромный прогресс, достигнутый с помощью этого метода в физике и точных науках в последние два столетия, в значительной мере обязан экспериментальному методу в сочетании с точными измерениями и математической обработкой данных.
На протяжении всех этапов эксперимента естествоиспытатель руководствуется в той или иной форме теоретическими знаниями. В последнем столетии в силу ряда объективных причин основной профессиональной деятельностью некоторых ученых стала исключительно теоретическая работа. Одним из первых ученых, который не проводил никаких экспериментов, был немецкий физик Макс Планк.
Произошло, таким образом, деление естествоиспытателей на профессиональных теоретиков и экспериментаторов. Во многих отраслях естествознания возникли экспериментальные и теоретические направления и в соответствии с ними появились специализированные лаборатории и даже институты, например Институт теоретической физики. Такой процесс наиболее активно проходит во второй половине XX столетия. В прежние времена не только Ньютон и Гюйгенс, но и такие выдающиеся теоретики, как Максвелл, обычно сами экспериментально проверяли свои теоретические выводы и утверждения. В последние же десятилетия только в исключительных случаях теоретик проводит экспериментальную работу, чтобы подтвердить выводы своих теоретических изысканий.
Одна из существенных объективных причин профессиональной обособленности экспериментаторов и теоретиков заключается в том, что технические средства эксперимента значительно усложнилась. Экспериментальная работа требует концентрации больших усилии, она не под силу одному человеку и выполняется в большинстве случаев целыми коллективом научных работников. Например, для проведения эксперимента с применением ускорителя, реактора и т.п. требуется относительно большой штат научных сотрудников. Поэтому даже при большом желании теоретик не в состоянии проверить на практике свои теоретические выводы и предложения.
Еще в 60-е годы нынешнего столетия, когда практически все отрасли естествознания находились на подъеме, академик П.Л. Капица с тревогой говорил о разрыве между теорией и экспериментом, между теорией и жизнью, между теорией и практикой, отмечая отрыв теоретической науки от жизни, с одной стороны, и, с другой стороны, недостаточно высокое качество экспериментальных работ, что нарушает гармоническое развитие науки.
Гармоническое развитие естествознания возможно тогда, когда теория опирается на достаточно крупную экспериментальную базу. А это означает, что для экспериментатора нужна хорошая материальная база: помещение со всевозможным специальным оборудованием, большой набор высокочувствительных приборов, специальные материалы, мастерские и т.п. Темпы развития естествознания в значительной степени обусловливаются совершенством такой материальной базы.
Отрыв теории от эксперимента, опыта, практики наносит громадный ущерб прежде всего самой теории и, следовательно, науке в целом. Отрыв от опыта и жизни характерен не только для естествоиспытателей, но и для философов, занимающихся философскими проблемами естествознания. Ярким примером может служить отношение некоторых философов к кибернетике в конце 40-х -- начале 50-х годов, когда в отечественных философских словарях кибернетика называлась реакционной лженаукой. Если бы ученью руководствовались таким определением кибернетики, то, очевидно, освоение космоса и создание современных наукоёмких технологий не стало бы реальностью, так как сложные многофункциональные процессы, вне зависимости от их области применения, управляются кибернетическими системами.
Работа крупных ученых-естествоиспытателей, внесших большой вклад в развитие современного естествознания, несомненно проходила в тесной взаимосвязи теории и эксперимента. Поэтому для развития естествознания на здоровой почве всякое теоретическое обобщение должно непременно проверяться на опыте. Только гармоническое развитие эксперимента и теории способно поднять на качественно новый уровень все отрасли естествознания.
Современные методы и технические средства эксперимента
Экспериментальные методы и технические средства современных естественно-научных исследований достигли высокой степени совершенства. Многие технические устройства эксперимента основаны на физических принципах. Но их практическое применение выходит далеко за рамки физики -- одной из отраслей естествознания. Они широко применяются в химии, биологии и других смежных естественных науках. С появлением лазерной техники, компьютеров, спектрометров и другой совершенной техники стали доступны для экспериментального исследования неизвестные ранее явления природы и свойства материальных объектов, стал возможен анализ быстропротекающих физических и химических процессов. Рассмотрим подробнее современное применение лазерной техники.
Лазерная техника.
Для экспериментальных исследований многих физических, химических и биологических процессов весьма важны три направления развития лазерной техники;
* разработка лазеров с перестраиваемой длиной волны излучения;
* создание ультрафиолетовых лазеров;
* сокращение длительности импульса лазерного излучения до 1 пс (10-12 с) и меньше.
Трудно перечислить все области применения лазеров для исследования многообразных химических процессов. Можно назвать лишь некоторые из них: в фотохимии лазер помогает изучить процесс фотосинтеза и тем самым найти способ более эффективно использовать солнечную энергию; с помощью лазеров разделяются изотопы, например, производится очистка изотопов урана и плутония; лазерные приборы служат анализаторами химического состава воздуха; в биологии лазеры дают возможность изучать живые организмы на клеточном уровне.
Возможности естественно-научных исследований расширяются с применением лазеров на свободных электронах. Принцип действия таких лазеров основан на том, что в пучке электронов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, в периодически изменяющемся магнитном поле в направлении движения электронов возникает излучение света. Эксперимент показывает, что лазеры на свободных электронах отличаются высокой эффективностью перестройки длины волны при большой мощности излучения в широком диапазоне -- от микроволнового излучения до вакуумного ультрафиолета.
Синхротронные источники излучения.
Синхротроны применяются не только в физике высоких энергий для исследования механизма взаимодействия элементарных частиц, но и для генерации мощного синхротронного излучения с перестраиваемой длиной волны в коротковолновой ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра. Исследование структуры твердых тел, определение расстояния между атомами, изучение строения молекул органических соединений -- успешному решению этих и других задач способствует синхротронное излучение.
Экспериментальные методы расшифровки сложных структур.
Для идентификации и анализа сложных структур, в частности для анализа сложных молекул, необходимо управлять химическими процессами и затем определять состав и структуру продуктов реакций. Предложенные физиками эффективные методы экспериментальных исследований макрообъектов на молекулярном уровне -- ядерный магнитный резонанс, оптическая спектроскопия, масс-спектроскопия, рентгеноструктурный анализ, нейтронография и т.п. -- позволяют исследовать состав и структуру необычайно сложных молекул, что способствует изучению, например, химической природы жизненно важных биологических процессов.
Оптическая спектроскопия позволяет анализировать спектр излучения вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном. Спектральный анализ - физический метод качественного и количественного определения состава вещества по его оптическому спектру излучения. В качественном спектральном анализе полученный спектр интерпретируют с помощью таблиц и атласов спектров элементов и индивидуальных соединений. Содержание исследуемого вещества при количественном спектральном анализе определяют по относительной или абсолютной интенсивности линий или полос спектра.
С применением лазерного источника излучения и персонального компьютера возможности оптического спектрометра значительно расширяются: такой спектрометр способен обнаружить отдельную молекулу или даже атом любого вещества.
С помощью метода индуцированной лазерной флуоресценции можно регистрировать загрязнение воздуха на расстоянии около двух километров.
В масс-спектроскопии исследуемое вещество вначале превращается в газовую фазу, затем газ конденсируется и ионы ускоряются до заданной кинетической энергии электрическим полем. Масса частиц может быть определена двумя способами: измерением радиуса кривизны траектории иона и измерением времени пролета им заданного расстояния.
Современные электрохимические методы в сочетании с высокочувствительной аппаратурой открывают новые возможности исследования структуры и функций живой клетки: с помощью электродов, площадь которых составляет всего лишь несколько микрометров, можно регистрировать процессы, происходящие внутри клетки.
Как видно, эксперимент действительно является важнейшим методом познания окружающего нас мира, что позволяет называть его основой научно-практического знания.
Как метод эмпирического познания, эксперимент - в отличии, например, от наблюдения - представляет наиболее широкие возможности и средства в познании сущности огромного множества процессов и явлений. В экспериментальном исследовании не природа, а человек создает различные условия и обстоятельства, что позволяет “подстроить” саму окружающую действительность в пределах определенных рамок. В этом, на мой взгляд, состоит наиглавнейшее преимущество эксперимента над другими методами научного познания, а следовательно и его огромная значимость.
Таким образом как было установлено, эксперимент не может существовать обособленно. В осуществлении экспериментального исследования, как уже упоминалось, огромную роль играет теоретическая база. Теоретические предпосылки и подготовка эксперимента представляют собой «львиную долю» самого процесса экспериментального исследования.
Но все же, в большинстве своем, именно посредством экспериментального исследования, были достигнуты эти огромные успехи в области науки и техники, о которых говорилось выше. Это и дает право называть именно эксперимент основой научного познания.
2.2 Практика применения экспериментов в механике
Эксперимент как метод научного познания нашел широкое применение в различных науках: физике, химии и др. Он незаменим при создании новых устройств. Эксперимент является основным методом научного познания в разработке пневмоструйной установки для измельчения цемента. Рассмотрим практику применения и структуру экспериментов в механике в контексте конструирования пневмоструйной мельницы.
Планирование экспериментов позволяет, используя минимальное число опытов, выбрать именно те условия, которые оптимизируют выходные параметры. При этом необходимо исследовать влияние на процесс измельчения в первую очередь наиболее существенных факторов, не усложняя и без того трудоемкий метод экспериментирования и выработки экспериментальных данных .
Для получения продукта необходимого качества конструкция механоактивирующего устройства должна обеспечивать соответствующий характер силового воздействия на исходный активируемый материал. При разработке нового оборудования, необходимо установить какими силовыми характеристиками машины можно добиться получения конечного продукта. Затем определить конструктивные особенности аппарата, с помощью которых можно реализовать это силовое воздействие.
Оценка эффективности использования оборудования применительно к конкретному технологическому процессу и обрабатываемым материалам требует проведения экспериментальных исследований с целью определения основных технологических и эксплуатационных характеристик исследуемых устройств. Исследование процессов, протекающих при измельчении в пневматической установке для механической активации цемента, проводится в два этапа.
На первом этапе производится статистический анализ показателей эффективности работы пневматических мельниц с целью определения количественного влияния на показатели эффективности её работы различных факторов: габаритов помольной камеры; диаметров разгонных трубок и сопел; число оборотов ротора сепаратора и колеса вентилятора; скорости и расхода воздуха в разгонных трубках; гранулометрического состава исходного материала. На основе анализа выявляется их удельный вес в совокупном влиянии на процесс помола и определено влияние наиболее существенных из них.
На втором этапе проводятся экспериментальные исследования по механоактивации цемента в разработанной и изготовленной в соответствии с патентным решением пневматической установке. При этом применяется метод наложения полученных на первом этапе данных при тех же комбинациях изменяемых параметров, с использованием критериев оценки результатов процесса механоактивации.
В соответствии с целью работы и поставленными задачами, программа проведения экспериментальных исследований по механической активации цемента в пневматической установке, может включать в себя следующие этапы:
Разработка и изготовление экспериментальной лабораторной модели;
Проведение поисковых экспериментов и наработка массива экспериментальных данных, необходимых для обоснования выбора построенных математических моделей;
Выявление конструктивных и технологических параметров (факторов), подвергающихся изменению и контролю при проведении экспериментальных исследований процессов, происходящих в пневматической установке, определение основных из них;
Алгоритм проведения лабораторных и экспериментальных исследований процесса механоактивации цемента в пневматической установке.
Выбор критериев оценки эффективности процесса механической активации;
Выбор плана проведения многофакторного эксперимента, установление уровней и интервалов варьирования исследуемых параметров процесса;
Определение показателей качества получаемого продукта механоактивации.
Заключение
экспериментальный измерение теоретический
В ходе написания работы были определены основные этапы развития эксперимента как метода эмпирического познания, выявлено его место в современных научных исследованиях и определена глубина взаимосвязи с другими методами эмпирического и теоретического познания. Был проведен анализ исторического становления эксперимента как метода эмпирического познания, выявлена роль эксперимента в современной науке путем его изучения в контексте экспериментальных и теоретических исследований. Также была определена роль экспериментального метода в реализации эксперимента в механике.
Таким образом, была выявлена сущность эксперимента, заключающаяся в том, что в нем сочетаются приёмы практического, чувственного и рационального познания. Как выяснилось, в познавательном цикле осуществляется сложная система взаимодействий, при этом элементы процесса познания испытывают воздействие окружающей среды, а исследователь - также и различных компонентов общества. Анализ всех этих сторон позволил раскрыть природу эксперимента - научного познания.
Список литературы
1. Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных решений / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский. - М.: Наука, 1976. - 280с.
2. Алексеев П.В, Панин А.В. «Философия» М - 2000. 608с.
3. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. - М.: Академический Проект; Фонд «Мир», 2005. - 9-е изд., испр. И доп. - 640с.
4. Кохановский В.П. Философия науки. Учебное пособие / Кохановский В.П., Пржиленский В.И., Сергодеева Е.А. - М.: ИКЦ «МарТ», Ростов н/Д: Издательский центр «МарТ», 2005. - 496с.
5. Лешкевич Т.Г. Философия науки: традиции и новации: Учебное пособие для вузов / Лешкевич Т.Г. - М.: «Издательство ПРИОР», 2001. -- 428с.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Зарождение рационального знания как методологии познания мира. Диалектическая неразрывность экспериментальных и теоретических исследований. Разработка основ логики и математических методов, формирование представлений о природе. Роль гипотез в науке.
контрольная работа , добавлен 05.04.2015
Общая характеристика теории познания. Виды, субъекты, объекты и уровни познания. Сравнительный анализ чувственного, эмпирического и теоретического познания. Понятие, сущность и формы мышления. Описание основных философских методов и приемов исследования.
контрольная работа , добавлен 12.11.2010
Чувственное и рациональное в познании. Проблема метода познания и ее взаимосвязь с познавательным процессом. Особенности эмпирических и теоретических методов познания. Проблема истины познания. Особенности истины, которые отличают ее от заблуждения.
реферат , добавлен 03.03.2012
Эмпирический и теоретический структурные уровни научного знания. Понятие, роль и задачи эмпирического познания. Методы изучения объектов: наблюдение, эксперимент, измерение и описание. Основные характеристики теоретического познания. Виды умозаключений.
реферат , добавлен 02.02.2011
Понятие научного факта. Мнение ученых о природе и особенностях научных фактов. Внутренняя структура и свойства эмпирического факта. Методы установления научных фактов: наблюдение, сравнение, измерение. Учение о роли научных фактов в развитии познания.
реферат , добавлен 25.01.2010
Понятие, сущность и закономерности методов познания. Анализ взаимосвязи и особенностей правильности и истинности. Диалектика как всеобщий философский метод современной науки. Общая характеристика основных структурных элементов системы общенаучных методов.
реферат , добавлен 11.10.2010
Проблемы познания в философии XVIII века. Основные положения философии Канта. Антропологическая теория И. Канта. Теория познания в философии И. Канта. Философское интеллектуальное созерцание. Соотношение рационального и эмпирического моментов в познании.
реферат , добавлен 29.06.2013
Классификация - процесс группировки объектов исследования или наблюдения в соответствии с восприятием их "общности признаков". Характеристика видов классификации, ее функции и роль в научном познании и практической деятельности; анализ правил и ошибок.
контрольная работа , добавлен 20.09.2011
Субъективные компоненты истины. Человеческое измерение истины. Диалектика относительной и абсолютной истины. Марксистско-ленинская и постпозитивистская концепции истины. Объект познания по Эйнштейну. Истина с точки зрения диалектического материализма.
реферат , добавлен 15.10.2010
Изучение способа раскрытия диалектического характера движения человеческого познания. Характеристика сущности и основных видов индуктивного умозаключения. Анализ принципов учения об индукции, которое развил Ф. Бэкон, как универсального метода познания.
Теоретически эксперимент был обоснован впервые в работах Ф. Бэкона, последующая разработка идей которого связана с именем Милля.
Монопольное положение эксперимента было поставлено под сомнение только в 20 в., прежде всего в социогуманитарном знании, а также в связи с феноменологическим, а затем и герменевтическим поворотом в философии и науке, с одной стороны, и тенденцией к предельной формализации (математизации) естествознания - с другой (появление и рост удельного веса математических модельных экспериментов).
Эксперимент предполагает создание искусственных систем (или "обискусствливание" естественных), позволяющих влиять на них путем перегруппировки их элементов, их элиминирования или замены другими. Отслеживая при этом изменения в системе (которые квалифицируются как следствия предпринятых действий), можно раскрыть определенные реальные взаимосвязи между элементами и тем самым выявить новые свойства и закономерности изучаемых явлений.
В естествознании изменение условий и контроль за ними осуществляются за счет использования приборов разного уровня сложности (от звонка в опытах Павлова по условным рефлексам вплоть до синхрофазотронов и т.п. устройств).
3. Роль эксперимента
Эксперимент проводится для решения определенных познавательных задач, продиктованных состоянием теории, но и сам порождает новые проблемы, требующие своего разрешения в последующих экспериментах, т.е. является и мощным генератором нового знания.
Эксперимент позволяет:
1) изучать явление в "чистом" виде, когда искусственно устраняются побочные (фоновые) факторы;
2) исследовать свойства предмета в искусственно создаваемых экстремальных условиях или вызывать явления, в естественных режимах слабо или вообще не проявляющиеся;
3) планомерно изменять и варьировать различные условия для получения искомого результата;
4) многократно воспроизводить ход процесса в строго фиксируемых и повторяющихся условиях.
К эксперименту обычно обращаются:
1) когда пытаются обнаружить у объекта не известные ранее свойства для продуцирования знания, не вытекающего из наличного (исследовательские эксперименты);
2) когда необходимо проверить правильность гипотез или каких-либо теоретических построений (проверочные эксперименты);
3) когда в учебных целях "показывают" какое-либо явление (демонстрационные эксперименты).
Особый тип экспериментов составляют социальные эксперименты (в частности эксперименты в социологии). По сути, каждое человеческое действие, предпринятое для достижения определенного результата, может быть рассмотрено как своего рода эксперимент.
4 Логическая структура эксперимента
По логической структуре эксперименты делятся на параллельные (когда процедура экспериментирования основана на сравнении двух групп объектов или явлений, одна из которых испытала воздействие экспериментального фактора - экспериментальная группа, а другая нет - контрольная группа) и последовательные (в которых нет контрольной группы, а замеры делаются на одной и той же группе до и после введения экспериментального фактора).
Эмпирическая форма научного познания включает также данные систематические и случайные наблюдения. Различие между данными наблюдения и эмпирическими фактами как особыми типами эмпирического знания было зафиксировано еще в позитивистской философии науки 30-х годов. В это время шла довольно напряженная дискуссия относительно того, что может служить эмпирическим базисом науки. Вначале предполагалось, что ими являются непосредственные результаты опыта - данные наблюдения. В языке науки они выражаются в форме особых высказываний - записей в протоколах наблюдения, которые были названы протокольными предложениями.
В протоколе наблюдения указывается, кто наблюдал, время наблюдения, описываются приборы, если они применялись в наблюдении, а протокольные предложения формулируются как высказывания типа: "NN наблюдал, что после включения тока стрелка на приборе показывает цифру 5", "NN наблюдал в телескоп на участке неба (с координатами x, y) яркое световое пятнышко" и т.п.
Если, например, проводился социологический опрос, то в роли протокола наблюдения выступает анкета с ответом опрашиваемого. Если же в процессе наблюдения осуществлялись измерения, то каждая фиксация результата измерения эквивалентна протокольному предложению.
Анализ смысла протокольных предложений показал, что они содержат не только информацию об изучаемых явлениях, но и, как правило, включают ошибки наблюдателя, наслоения внешних возмущающих воздействий, систематические и случайные ошибки приборов и т.п. Но тогда стало очевидным, что данные наблюдения, в силу того, что они отягощены субъективными наслоениями, не могут служить основанием для теоретических построений.
В результате была поставлена проблема выявления таких форм эмпирического знания, которые бы имели интерсубъективный статус, содержали бы объективную и достоверную информацию об изучаемых явлениях.
В ходе дискуссий было установлено, что такими знаниями выступают эмпирические факты. Именно они образуют эмпирический базис, на который опираются научные теории.
Факты фиксируются в языке науки в высказываниях типа: "сила тока в цепи зависит от сопротивления проводника"; "в созвездии Девы вспыхнула сверхновая звезда"; "более половины опрошенных в городе недовольны экологией городской среды" и т.п.
Уже сам характер фактофиксирующих высказываний подчеркивает их особый объективный статус, по сравнению с протокольными предложениями. Но тогда возникает новая проблема: как осуществляется переход от данных наблюдения к эмпирическим фактам и что гарантирует объективный статус научного факта?
Постановка этой проблемы была важным шагом на пути к выяснению структуры эмпирического познания. Эта проблема активно разрабатывалась в методологии науки XX столетия. В конкуренции различных подходов и концепций она выявила многие важные характеристики научной эмпирии, хотя и на сегодняшний день проблема далека от окончательного решения.
Определенный вклад в ее разработку был внесен и позитивизмом, хотя нелишне подчеркнуть, что его стремление ограничиться только изучением внутренних связей научного знания и абстрагироваться от взаимоотношения науки и практики резко суживали возможности адекватного описания исследовательских процедур и приемов формирования эмпирического базиса науки.
Деятельностная природа эмпирического исследования на уровне наблюдений наиболее отчетливо проявляется в ситуациях, когда наблюдение осуществляется в ходе реального эксперимента. По традиции эксперимент противопоставляется наблюдению вне эксперимента. Не отрицая специфики этих двух видов познавательной деятельности, мы хотели бы тем не менее обратить внимание на их общие родовые признаки.
Предметная структура экспериментальной практики может быть рассмотрена в двух аспектах: во-первых, как взаимодействие объектов, протекающее по естественным законам, и, во-вторых, как искусственное, человеком организованное действие. В первом аспекте мы можем рассматривать взаимодействие объектов как некоторую совокупность связей и отношений действительности, где ни одна из этих связей актуально не выделена в качестве исследуемой. В принципе, объектом познания может служить любая из них. Лишь учет второго аспекта позволяет выделить ту или иную связь по отношению к целям познания и тем самым зафиксировать ее в качестве предмета исследования. Но тогда явно или неявно совокупность взаимодействующих в опыте объектов как бы организуется в системе определенной цепочки отношений: целый ряд их реальных связей оказывается несущественным, и функционально выделяется лишь некоторая группа отношений, характеризующих изучаемый "срез" действительности.
Проиллюстрируем это на простом примере. Допустим, что в рамках классической механики изучается движение относительно поверхности земли массивного тела небольших размеров, подвешенного на длинной нерастягивающейся нити. Если рассматривать такое движение только как взаимодействие природных объектов, то оно предстает в виде суммарного итога проявления самых различных законов. Здесь как бы "накладываются" друг на друга такие связи природы, как законы колебания, свободного падения, трения, аэродинамики (обтекание газом движущегося тела), законы движения в неинерциальной системе отсчета (наличие сил Кориолиса вследствие вращения Земли) и т.д. Но как только описанное взаимодействие природных объектов начинает рассматриваться в качестве эксперимента по изучению, например, законов колебательного движения, то тем самым из природы вычленяется определенная группа свойств и отношений этих объектов.
Прежде всего, взаимодействующие объекты - Земля, движущееся массивное тело и нить подвеса - рассматриваются как носители только определенных свойств, которые функционально, самим способом "включения" их в "экспериментальное взаимодействие", выделяются из всех других свойств. Нить и подвешенное на ней тело предстают как единый предмет - маятник. Земля фиксируется в данной экспериментальной ситуации 1) как тело отсчета (для этого выделяется направление силы тяжести, которое задает линию равновесия маятника) и 2) как источник силы, приводящий в движение маятник. Последнее в свою очередь предполагает, что сила тяжести Земли должна рассматриваться лишь в определенном аспекте. А именно, поскольку, согласно цели эксперимента, движение маятника представляется как частный случай гармонического колебания, то тем самым учитывается лишь одна составляющая силы тяжести, которая возвращает маятник к положению равновесия. Другая же составляющая не принимается во внимание, поскольку она компенсируется силой натяжения нити.
Описанные свойства взаимодействующих объектов, выступая в акте экспериментальной деятельности на передний план, тем самым вводят строго определенную группу отношений, которая функционально вычленяется из всех других отношений и связей природного взаимодействия. По существу описанное движение подвешенного на нити массивного тела в поле тяжести Земли предстает как процесс периодического движения центра массы этого тела под действием квазиупругой силы, в качестве которой фигурирует одна из составляющих силы тяготения Земли. Эта "сетка отношений", выступающая на передний план в рассматриваемом взаимодействии природы, и есть та объектная структура практики, в рамках которой изучаются законы колебательного движения.
Допустим, однако, что то же самое движение в поле тяжести Земли тела, подвешенного на нити, выступает как эксперимент с маятником Фуко. В этом случае предметом изучения становится иная связь природы - законы движения в инерциальной системе. Но тогда требуется выделить совершенно иные свойства взаимодействующих фрагментов природы.
Фактически закрепленное на нити тело функционирует теперь только как движущаяся масса с фиксированным относительно Земли направлением движения. Строго говоря, при этом система "тело плюс нить в поле тяжести" уже не рассматривается как маятник (поскольку здесь оказывается несущественной с точки зрения изучаемой связи основная характеристика маятника - период его колебания). Далее, Земля, относительно которой рассматривается движение тела, теперь фиксируется по иным признакам. Из всего многообразия ее свойств в рамках данного эксперимента оказываются существенными направление оси вращения Земли и величина угловой скорости вращения, задание которых позволяет определить кориолисовы силы. Силы же тяготения в принципе уже не играют существенной роли для целей экспериментального исследования кориолисовых сил. В результате выделяется новая "сетка отношений", которая характеризует изучаемый в рамках данного эксперимента срез действительности. На передний план выступает теперь движение тела с заданной скоростью вдоль радиуса равномерно вращающегося диска, роль которого играет плоскость, перпендикулярная оси вращения Земли и проходящая через ту точку, где в момент наблюдения находится рассматриваемое тело. Это и есть структура эксперимента с маятником Фуко, позволяющего изучать законы движения в неинерциальной (равномерно вращающейся) системе отсчета.
Аналогичным образом в рамках анализируемого взаимодействия природы можно было бы выделить объектные структуры иного типа, если данное взаимодействие представить как разновидность экспериментальной практики по изучению, например, законов свободного падения или, допустим, законов аэродинамики (разумеется, отвлекаясь при этом от того, что в реальной экспериментальной деятельности такого рода опыты для данной цели не используются). Анализ таких абстрактных ситуаций хорошо иллюстрирует то обстоятельство, что реальное взаимодействие природы может быть представлено как своего рода "суперпозиция" различного типа "практических структур", число которых в принципе может быть неограниченным.
В системе научного эксперимента каждая из таких структур выделяется благодаря фиксации взаимодействующих объектов по строго определенным свойствам. Эта фиксация, конечно, не означает, что у объектов природы исчезают все другие свойства, кроме интересующих исследователя. В реальной практике необходимые свойства объектов выделяются самим характером оперирования с ними. Для этого объекты, приведенные во взаимодействие в ходе эксперимента, должны быть предварительно выверены практическим употреблением на предмет существования у них свойств, стабильно воспроизводящихся в условиях будущей экспериментальной ситуации. Так, нетрудно видеть, что эксперимент с колебанием маятника мог быть осуществлен лишь постольку, поскольку предшествующим развитием практики было строго выявлено, что, например, сила тяжести Земли в данном месте постоянна, что любое тело, имеющее точку подвеса, будет совершать колебания относительно положения равновесия и т.п. Важно подчеркнуть, что вычленение этих свойств стало возможным лишь благодаря соответствующему практическому функционированию рассматриваемых объектов. В частности, свойство Земли быть источником постоянной силы тяготения многократно использовалось в человеческой практике, например, при перемещении различных предметов, забивании свай с помощью падающего груза и т.п. Подобные операции позволили функционально выделить характеристическое свойство Земли "быть источником постоянной силы тяжести".
В этом смысле в экспериментах по изучению законов колебания маятника Земля выступает не просто как природное тело, а как своеобразный "искусственно изготовленный" объект человеческой практики, ибо для природного объекта "Земля" данное свойство не имеет никаких "особых привилегий" по сравнению с другими свойствами. Оно существует реально, но на передний план как особое, выделенное свойство выступает только в системе определенной человеческой практики. Экспериментальная деятельность представляет собой специфическую форму природного взаимодействия, и важнейшей чертой, определяющей эту специфику, является именно то, что взаимодействующие в эксперименте фрагменты природы всегда предстают как объекты с функционально выделенными свойствами.
В развитых формах эксперимента такого рода объекты изготовляются искусственно. К ним относятся в первую очередь приборные установки, с помощью которых проводится экспериментальное исследование. Например, в современной ядерной физике это могут быть установки, приготовляющие пучки частиц, стабилизированные по определенным параметрам (энергия, пульс, поляризация); мишени, бомбардируемые этими пучками; приборы, регистрирующие результаты взаимодействия пучка с мишенью. Для наших целей важно уяснить, что само изготовление, выверка и использование таких установок аналогичны операциям функционального выделения свойств у объектов природы, которыми оперирует исследователь в описанных выше экспериментах с маятником. В обоих случаях из всего набора свойств, которыми обладают материальные объекты, выделяются лишь некоторые свойства, и данные объекты функционируют в эксперименте только как их носители.
С таких позиций вполне правомерно рассматривать объекты природы, включенные в экспериментальную ситуацию, как "квазиприборные" устройства независимо от того, получены они искусственным путем или естественно возникли в природе независимо от деятельности человека. Так, в экспериментальной ситуации по изучению законов колебания Земля "функционирует" как особая приборная подсистема, которая как бы "приготовляет" постоянную силу тяготения (аналогично тому, как созданный человеком ускоритель при жестко фиксированном режиме работы будет генерировать импульсы заряженных частиц с заданными параметрами). Сам маятник играет здесь роль рабочего устройства, функционирование которого дает возможность зафиксировать характеристики колебания. В целом же система "Земля плюс маятник" может быть рассмотрена как своеобразная квазиэкспериментальная установка, "работа" которой позволяет исследовать законы простого колебательного движения.
В свете сказанного специфика эксперимента, отличающая его от взаимодействий в природе "самой по себе", может быть охарактеризована так, что в эксперименте взаимодействующие фрагменты природы всегда выступают в функции приборных подсистем. Деятельность по "наделению" объектов природы функциями приборов будем в дальнейшем называть созданием приборной ситуации. Причем саму приборную ситуацию будем понимать как функционирование квазиприборных устройств, в системе которых испытывается некоторый фрагмент природы. И поскольку характер взаимоотношений испытуемого фрагмента с квазиприборными устройствами функционально выделяет у него некоторую совокупность характеристических свойств, наличие которых в свою очередь определяет специфику взаимодействий в рабочей части квазиприборной установки, то испытуемый фрагмент включается как элемент в приборную ситуацию.
В рассматриваемых выше экспериментах с колебанием маятника мы имели дело с существенно различными приборными ситуациями в зависимости от того, являлось ли целью исследования изучение законов колебания или законов движения в равномерно вращающейся системе. В первом случае маятник включен в приборную ситуацию в качестве испытуемого фрагмента, во втором он выполняет совершенно иные функции. Здесь он выступает как бы в трех отношениях:
1) Само движение массивного тела (испытуемый фрагмент) включено в функционирование рабочей подсистемы в качестве ее существенного элемента (наряду с вращением Земли);
2) Периодичность же движения маятника, которая в предыдущем опыте играла роль изучаемого свойства, теперь используется только для того, чтобы обеспечить стабильные условия наблюдения. В этом смысле колеблющийся маятник функционирует уже как приготовляющая приборная подсистема;
3) Свойство маятника сохранять плоскость колебания позволяет использовать его и в качестве части регистрирующего устройства. Сама плоскость колебания здесь выступает в роли своеобразной стрелки, поворот которой относительно плоскости вращения Земли фиксирует наличие кориолисовой силы.
Такого рода функционирование взаимодействующих в опыте природных фрагментов в роли приборных подсистем или их элементов и выделяет актуально, как бы "выталкивает" на передний план, отдельные свойства этих фрагментов. Все это приводит к функциональному вычленению из множества потенциально возможных объектных структур практики именно той, которая репрезентирует изучаемую связь природы.
Такого рода связь выступает как объект исследования, который изучается и на эмпирическом, и на теоретическом уровнях познавательной деятельности. Выделение объекта исследования из совокупности всех возможных связей природы определяется целями познания и на разных уровнях последнего находит свое выражение в формулировке различных познавательных задач. На уровне экспериментального исследования такие задачи выступают как требование зафиксировать (измерить) наличие какого-либо характеристического свойства у испытуемого фрагмента природы. Однако важно сразу же уяснить, что объект исследования всегда представлен не отдельным элементом (вещью) внутри приборной ситуации, а всей ее структурой.
На примерах, разобранных выше, по существу было показано, что соответствующий объект исследования - будь то процесс гармонического колебания или движение в неинерциальной системе отсчета - может быть выявлен только через структуру отношений, участвующих в эксперименте природных фрагментов.
Аналогичным образом обстоит дело и в более сложных случаях, относящихся, например, к экспериментам в атомной физике. Так, в известных опытах по обнаружению комптон-эффекта предмет исследования - "корпускулярные свойства рентгеновского излучения, рассеянного на свободных электронах" - определялся через взаимодействие потока рентгеновского излучения и рассеивающей его графитной мишени при условии регистрации излучения особым прибором. И только структура отношений всех этих объектов (включая прибор для регистрации) репрезентирует исследуемый срез действительности. Такого рода фрагменты реальных экспериментальных ситуаций, использование которых задает объект исследования, будем называть в дальнейшем объектами оперирования. Данное различение позволит избежать двусмысленности при использовании термина "объект" в процессе описания познавательных операций науки. В этом различии фиксируется тот существенный факт, что объект исследования не совпадает ни с одним из отдельно взятых объектов оперирования любой экспериментальной ситуации. Подчеркнем также, что объекты оперирования по определению не тождественны "естественным" фрагментам природы, поскольку выступают в системе эксперимента как своеобразные "носители" некоторых функционально выделенных свойств. Как было показано выше, объекты оперирования обычно наделяются приборными функциями и в этом смысле, будучи реальными фрагментами природы, вместе с тем выступают и как продукты "искусственной" (практической) деятельности человека.
Эксперимент опирается на широкий спектр логических средств. Для их анализа определим критерий выбора наиболее характерных средств. В качестве такого критерия может быть взято положение о практической базе логических операций, непосредственно связанных с реальными предметами, процессами их видоизменения и чувственного отражения. К таким методам можно отнести операции анализа и синтеза, дедукции и индукции, обобщения и абстрагирования, аналогии и моделирования. Кроме того, следует учитывать, что эксперимент тесно связан с проблемой, имеющей свои теоретические и эмпирические основания, так и с гипотезой, для проверки которой он предпринимается.
- 113.17 Кб1. Наблюдение, измерение и эксперимент – неразрывно связанные методы эмпирического познания
1.1 Значение
наблюдения в системе эмпирического познания
и его связь с экспериментом
- Наблюдение лежит в основе всех других эмпирических методов познания, являясь наиболее элементарным из них. В науке наблюдение используется для получения эмпирической информации относительно исследуемой области, но главным образом - для проверки и обоснования истинности эмпирических суждений.
- Наблюдение считают разновидностью научной практики. Это обусловлено тем, что наблюдение существенно предполагает материальную деятельность, связанную с самим актом чувственного восприятия, использования приборов и т. п. Его специфика по сравнению с другими видами практики состоит в том, что наблюдение не включает себя непосредственного физического воздействия на объект (либо этим воздействием можно пренебречь). Но оно является необходимым элементом других эмпирических методов познания - измерения и эксперимента, которые опираются на практические действия с предметами.
Эксперимент
Наблюдение
Измерение
1.2 Сущность
измерения – необходимого метода
при проведении экспериментов
- Измерением называют процесс представления свойств реальных объектов в виде числовой величины.
- Измерение - новая ступень в развитии эмпирического познания. Переход от наблюдения к измерению требует новых приборов и инструментов, а также новых понятии и предположении. Результаты наблюдения обычно выражаются с помощью качественных и сравнительных понятии. Качественные понятия - такие, как "теплый", "зеленый", "большой", - обозначают некоторые классы, и, приписывая предмету свойство, выражаемое качественным понятием, мы тем самым включаем этот предмет в определенный класс. Когда мы приступаем к исследованию некоторой новой области явлений, то начинаем с формулирования качественных понятий, с помощью которых проводим классификацию предметов исследуемой области, опираясь на наблюдение.
- Результаты измерения выражаются с помощью количественных понятий. Количественные понятия численно выражают степень интенсивности некоторого свойства.
2. Роль
экспериментальных исследований
в развитии естественнонаучного
знания.
Преимущество эксперимента над наблюдением состоит прежде всего в том, что он дает возможность активно и целенаправленно исследовать интересующие науку явления. Ученый может по своему желанию изучать эти явления в самых различных условиях их протекания, усложнять или упрощать ситуации, строго контролируя при этом ход и результаты процесса.
Часто эксперимент уподобляют вопросу, обращенному к природе. Хотя такой метафорический способ выражения и не свободен от недостатков, тем не менее он очень удачно схватывает основную цель эксперимента.
Основная цель эксперимента - давать ответы на наши вопросы, проверять идеи, гипотезы и теории относительно свойств и закономерностей протекания тех или иных процессов в природе. В обычных условиях эти процессы крайне сложны и запутаны, не поддаются точному контролю и управлению. Поэтому и возникает задача организации такого их исследования, при котором можно было бы проследить, по выражению Маркса, ход процесса ≪в чистом≫ виде.
При экспериментировании исследователь сосредоточивает внимание на изучении лишь наиболее важных сторон и особенностей процессов, стараясь свести к минимуму возмущающее действие второстепенных факторов. Отсюда напрашивается естественная аналогия между экспериментом и абстрагированием. И в том и другом случае исследователь ставит задачу - изучить ход процесса «в чистом виде», и поэтому не принимает в расчет множество дополнительных факторов и обстоятельств.
Но, пожалуй, больше чем в другой аналогии, здесь приходится считаться с важными различиями принципиального характера.
Всякое абстрагирование представляет способ мысленного выделения существенных свойств и особенностей исследуемого явления.
При экспериментировании с помощью специальных средств и приборов создают искусственную среду, которая даст возможность анализировать явления в условиях, более или менее свободных от возмущающего влияния второстепенных факторов.
В реальной практике научного исследования абстрагирование всегда предшествует эксперименту. Прежде чем поставить эксперимент, ученый должен исходить из некоторой гипотезы или просто догадки о том, какие свойства или факторы в изучаемом явлении считать существенными, а какие можно не принимать во внимание.
К числу важнейших проблем, которые требуют привлечения экспериментального метода, относится прежде всего опытная проверка гипотез и теорий. Это самая известная и наиболее существенная функция эксперимента в научном исследовании, которая служит показателем зрелости самого метода.
Ни в античности, ни в средние века не было эксперимента в точном смысле этого слова, так как там целью опытов скорее был сбор данных, чем проверка идей.
Огромные успехи в развитии механики в Новое время были связаны с тем, что разработка новых ее гипотез и теорий шла рука об руку с их экспериментальной проверкой. Постепенно такой метод проверки новых гипотез и теорий проник во все отрасли естествознания, а в наше время успешно используется и в ряде социальных наук.
Не менее ценную роль эксперимент играет при формировании новых гипотез и теоретических представлений.
Эвристическая функция эксперимента при создании гипотез состоит в том, чтобы использовать опыт для уточнения и исправления первоначальных допущений и догадок. В ходе исследования ученый не только уточняет свою первоначальную догадку и доводит ее до уровня научной гипотезы, но одновременно проверяет эту гипотезу сначала по частям, а затем и целиком.
Какой бы эксперимент, однако, ни осуществлялся, он всегда служит лишь определенным звеном в общей цепи научного исследования. Поэтому его нельзя рассматривать как самоцель и тем более противопоставлять теории.
Если эксперимент ставит вопрос природе, то такой вопрос может возникнуть лишь в сфере идей и при достаточно высоком уровне развития теоретического знания. Как уже отмечалось, сам план проведения эксперимента, интерпретация его результатов требуют обращения к теории. Без теории и ее руководящих идей невозможно никакое научное экспериментирование.
В реальной практике научного исследования эти ступени выступают во взаимодействии и единстве. Бесспорно, что теоретические представления всегда основываются на каких-то эмпирических данных или фактах. В конечном счете все знание опирается на опыт, эксперимент, практику. Однако само эмпирическое познание, особенно в науке, отталкивается от существующих теоретических представлений.
Только учет их диалектической взаимосвязи и взаимодействия дает возможность правильно понять не только весь процесс исследования в Целом, но и отдельные его этапы и методы.
За четыре века существования экспериментальный метод продемонстрировал свою высокую эффективность как важнейший способ эмпирического исследования. Эта эффективность возрастала но мере усложнения экспериментальной техники и степени зрелости теоретической мысли. От простейших опытов, представляющих по сути дела усложненные наблюдения, до создания индустриальных установок для ускорения заряженных частиц, получения высоких и сверхвысоких температур и давлений, мощных радиотелескопов и космических лабораторий - вот тот гигантский скачок, который характеризует развитие экспериментальной техники.
Возникает вопрос: если экспериментальный метод является столь эффективным методом эмпирического исследования, то почему он не применяется во всех науках? Главным условием успешного применения экспериментального метода в той или иной науке является принципиальная возможность активной, преобразующей деятельности исследователя с изучаемым объектом. Действительно, наибольший успех, достигнутый с помощью этого метода, относится главным образом к физике и химии, где легче всего можно вмешиваться в ход исследуемых процессов.
В некоторых науках ученые объективно не могут воздействовать на изучаемые процессы. Так, в астрономии, несмотря на большой успех космических исследований, они часто вынуждены ограничиваться наблюдениями за небесными телами. То же самое следует сказать о геологии и некоторых других науках. Такие науки хотя и используют эмпирические методы (например, наблюдения и измерения), но не относятся к наукам экспериментальным.
- Как видно, эксперимент действительно является важнейшим методом познания окружающего нас мира, что позволяет называть его основой естественнонаучного знания.
- Как метод эмпирического познания, эксперимент – в отличии, например, от наблюдения – представляет наиболее широкие возможности и средства в познании сущности огромного множества процессов и явлений. В экспериментальном исследовании не природа, а человек создает различные условия и обстоятельства, что позволяет “подстроить” саму окружающую действительность в пределах определенных рамок.
- Конечно же, эксперимент не может существовать обособленно. В осуществлении экспериментального исследования, как уже упоминалось, огромную роль играет теоретическая база. Теоретические предпосылки и подготовка эксперимента представляют собой “львиную долю” самого процесса экспериментального исследования.
- Но все же, в большинстве своем, именно посредством экспериментального исследования, были достигнуты огромные успехи в области науки и техники. Это и дает право называть именно эксперимент основой естествознания.
Краткое описание
1. Наблюдение, измерение и эксперимент – неразрывно связанные методы эмпирического познания
1.1 Значение наблюдения в системе эмпирического познания и его связь с экспериментом
1.2 Сущность измерения – необходимого метода при проведении экспериментов
2. Роль экспериментальных исследований в развитии естественнонаучного знания.
