Теоретические предпосылки эксперимента

Взаимная обусловленность эмпирических и теоретических знаний вряд ли вызывает сомнение Современные эксперименты и теория настолько сильно переплетены, что однозначно ответить на вопрос, какое из данных знаний можно рассматривать в качестве абсолютного начала естественно – научного познания, практически не представляется возможным, хотя можно привести многочисленные примеры научных изысканий, когда эмпирические начала предвосхищают теорию, и наоборот.

В теоретические исследования все больше внедряются наиболее абстрактные разделы математики, и многие теоретические расчеты выполняются с помощью мощных вычислительных средств. Экспериментальное исследование развивается за счет внедрения новых методов с применением сравнительно сложных технических средств. Эксперимент все чаще приобретает индустриальные, а в отдельных случаях и гигантские масштабы. Вместе с тем возрастает роль и его теоретического обеспечения, то есть можно уверенно говорить о теоретической обусловленности современных экспериментальных исследований.

На всех этапах экспериментальных исследований весьма важна мыслительная деятельность экспериментатора, которая чаще всего носит философский характер. Решая, например, вопросы: что такое электрон, является ли он элементом реального мира или чистой абстракцией, можно ли его наблюдать, в какой мере знания об электроне истины и тому подобное – ученый так или иначе касается философских проблем естествознания. Более глубокая связь естествознания с философией свидетельствует о более высоком уровне его развития. Естественно, с течением времени теоретическое мышление с философской ориентацией меняется и приобретает различные формы и содержание. Лучших результатов достигнет естествоиспытатель, свободно владеющий своими узкопрофессиональными вопросами и достаточно легко ориентирующийся в общих философских вопросах, связанных прежде всего с диалектикой и теорией естественно – научного познания.   

Стремление ученых создать научную картину мира сближает естествознание с философией. Научная картина мира обладает большей общностью, чем теоретические схемы конкретных ес­тественно-научных утверждений. Она образуется посредством особых связей отдельных элементов познания и представляет собой весьма общую идеальную модель реальных процессов, явлений и свойств вещества, исследуемых в рамках узких от­раслей естествознания. В широком понимании научная карти­на мира выражает общее знание о природе, характерное для данного этапа развития общества. Описание картины мира в общем представлении создает понятия, более или менее близ­кие к понятиям повседневного, обыденного языка.

В те периоды развития естествознания, когда на смену ста­рой картины мира приходит новая, при постановке экспери­мента возрастает роль философских идей в виде теоретических постулатов, на основе которых реализуется эксперимент.

В эпоху становления физики как науки, когда специальных естественно-научных теорий не существовало, ученые, как пра­вило, руководствовались общими философскими представле­ниями о единстве и родстве материальных объектов и явлений природы. Например, Г. Галилей, закладывая основы классиче­ской механики, опирался на общую модель единства мира. Та­кая идея помогла «земными глазами» взглянуть на небо и опи­сать движение небесных тел по аналогии с движением тел на Земле, что в свою очередь подтолкнуло ученых к более тщатель­ному изучению различных форм механического движения, в ре­зультате чего были открыты классические законы механики.

Философская идея материального единства мира питала многие экспериментальные исследования и способствовала на­коплению новых естественно-научных фактов. Так, например, известный датский физик X. Эрстед, размышляя о связи между разными по физической природе явлениями — тепло­той, светом, электричеством и магнетизмом, — в результате экспериментальных исследований открыл магнитное дейст­вие электрического тока.

Особенно важна роль теоретических предпосылок эксперимента, когда сложившиеся теоретические знания служат осно­вой новых естественно-научных проблем и гипотез, требующих предварительного эмпирического обоснования.

В современных условиях возрастает роль теоретической ра­боты на подготовительном этапе эксперимента, на каждой опе­рации его по-разному включаются те или иные теоретические и практические процедуры исследований. Можно назвать четыре основные операции подготовительного этапа эксперимента:

• постановка задачи эксперимента и выдвижение гипотети­ческих вариантов её решения;

• разработка программы экспериментального исследования;

• подготовка исследуемого объекта и создание эксперимен­тальной установки;

• качественный анализ хода эксперимента и корректировка программы исследования и приборного обеспечения.

При кажущейся случайности эмпирические открытия впи­сываются в вполне определенную логическую схему, отправ­ным элементом которой выступает противоречие между из­вестным теоретическим знанием и новыми эмпирическими данными. Такое противоречие является логическим основанием вновь возникшей проблемы — своеобразной границы между знанием и незнанием — первого шага осмысления неизвест­ного. Следующий шаг — выдвижение гипотезы как возможного решения проблемы.

Выдвинутая гипотеза вместе с выводимыми из неё следст­виями служит основой, определяющей цели, задачи и практи­ческие средства эксперимента. В одних случаях при сложив­шейся теоретической схеме гипотеза может обладать высокой степенью достоверности. Такая гипотеза жестко задает про­грамму эксперимента и нацеливает его на поиск теоретически предсказанного результата. В других случаях, когда теоретическая схема только-только зарождается, степень достоверности гипотезы может быть не высокой. При этом теория лишь эскизно задает схему эксперимента, увеличивается число проб и ошибок.       

На подготовительной стадии эксперимента огромную, не­оценимую роль играет изобретательская и конструкторская ра­бота как научный творческий процесс. Успех любой экспери­ментальной работы зависит от таланта ученого, определяемого его прозорливостью, глубиной абстрактного мышления, ориги­нальностью решения технических задач, способностью к изо­бретательской деятельности, представляющей собой последовательный,

 целенаправленный переход от теоретического знания к практическому поиску.

Таким образом, хотя эксперимент основывается на практи­ческой деятельности, но, будучи естественно-научным методом познания действительности, он включает логические и теоре­тические средства, гармоническое сочетание которых и позво­ляет успешно решить поставленную задачу.

Сочетание практических и теоретических знаний

Подготовка исследуемого объекта и создание эксперименталь­ной установки — важные шаги реализации программы исследо­ваний, после которых наступает основной период проведения самой экспериментальной работы. Такой период, казалось бы, характеризуется чисто эмпирическими признаками: изменени­ем управляемых условий, включением и выключением прибо­ров и различных механизмов, фиксированием тех или иных свойств, эффектов и т.п. В ходе эксперимента как бы уменьша­ется роль теории. Но на самом деле наоборот — без теоретиче­ского знания невозможны постановка промежуточных задач и их решение. Экспериментальная установка — овеществленное, материализованное знание. Роль теории в ходе эксперимента предполагает выяснение механизма формирования объекта по­знания и взаимодействия субъекта, приборов и объекта, изме­рения, наблюдения и регистрации экспериментальных данных.

Теоретические предпосылки могут содействовать получению позитивных сведений о мире, научному открытию либо ме­шать, уводить поиск в сторону от верного пути — все зависит от того, верны или не верны данные предпосылки. Иногда ученые в силу объективных или субъективных обстоятельств руководствуются ложными предпосылками, что, естественно, не способствует объективному отражению действительности. Например, ложное истолкование научных проблем кибернети­ки и генетики привело к существенному отставанию в данных отраслях знания.

В истории естествознания прослеживается тенденция разви­тия процесса познания от качественного изучения объекта или явления к установлению их количественных параметров и вы­явлению общих закономерностей, выраженных в строгой мате­матической форме. Строгость и точность экспериментальных сведений при этом зависит от совершенства методов измерений

и чувствительности разрешающей способности и точности из­мерительной техники.

Современный эксперимент характеризуется высокой точно­стью измерений. Можно назвать несколько путей повышения точности:

1) введение новых эталонов;

2) применение чувствительных приборов;

3) учет всех условий, влияющих на объект;

4) сочетание разных видов измерений;

5) автоматизация процесса измерений.

Оптимальное сочетание данных путей определяется субъек­тивным свойством естествоиспытателя и в большой степени за­висит от степени совершенства экспериментальной техники.

Организация постоянного взаимодействия наблюдения, из­мерения и количественного описания в процессе эксперимента опосредуется теоретическими знаниями, включающими фило­софское представление о картине мира, гипотезы и т.д.

Теоретические знания в ходе эксперимента лежат в основе:

- формирования сложного объекта исследований;

- перегруппировки элементов объекта, скрытых от непо­средственного наблюдения;

- фиксации и регистрации экспериментальных данных;

- интерпретации полученных данных и их сопоставления с теоретическими.

При реализации данных процессов естествоиспытатель по­стоянно сверяет свои действия и результаты с теоретическими посылками. Когда эксперимент находится в завершающейся стадии и собраны основные экспериментальные результаты, теоретическая работа не прекращается — она направлена на обработку результатов эксперимента.

 

Обработка экспериментальных результатов

После получения первых экспериментальных результатов про­цедура эксперимента продолжается. Во-первых, как правило, разовый эксперимент не дает окончательного ответа на постав­ленный вопрос. Во-вторых, полученные экспериментальные результаты нуждаются в логической доработке, превращающей их в научный факт, т.е. в то, в истинности чего не возникает сомнений.

Представление о фактах как проявлениях действительности, непосредственно фиксируемых в формах чувственного отраже­ния, сложилось в науке на ранней стадии зарождения естество­знания. Практика современного естествознания показывает, что не все факты непосредственно воспринимаются, чаще всего факты не являются тем, что бросается сразу в глаза и может быть зафиксировано всеми, кто обладает нормальным зрением.

Факты в естествознании не просто собираются, а активно формируются естествоиспытателем, что отнюдь не снижает их объективности. В равной мере и теория, несмотря на проявле­ние творческой активности субъекта, не утрачивает своей объ­ективности, если она истинна.

Отдельные экспериментальные данные, полученные на на­чальной стадии эмпирического исследования, сами по себе не становятся фактами науки. В них могут содержаться ошибки, связанные с некорректной постановкой эксперимента, непра­вильными показаниями измерительных приборов, отклонениями в функционировании органов чувств и т.п. Поэтому в естество­знании, как правило, проводится не один, а серия эксперимен­тов. Уточняются и проверяются результаты эксперимента, со­бираются недостающие сведения, проводятся дополнительные эксперименты. Затем полученные в серии экспериментов дан­ные подвергаются математической обработке.

При кажущейся простоте получения и обработки первичных экспериментальных данных, т.е. результатов наблюдений и из­мерений, математическая обработка, обладая определенной спецификой, производится в рамках строгой теории ошибок, на основании которой количественно определяется достовер­ность окончательных результатов. Сколь бы точными ни были наблюдения и измерения, погрешности неизбежны, и задача естествоиспытателя заключается в том, чтобы приблизить экс­периментальные данные к объективным значениям определяе­мых величин, т.е. уменьшить интервал неточности. Для этого каждый исследователь должен иметь представление обо всех ошибках, встречающихся в практике экспериментального ис­следования. Современная теория ошибок вооружает экспери­ментаторов надежными средствами корректировки экспери­ментальных данных.

Статистическая обработка — не только эффективное сред­ство уточнения экспериментальных данных, отсеивания слу­чайных ошибок, но и первый шаг обобщения их в процессе формирования научного факта. Разумеется, статистическая об­работка — необходимая, но не достаточная операция при пере­ходе от эмпирических данных к естественно-научным фактам

После уточнения экспериментальных результатов начинает­ся следующая стадия — сравнение и обработка. Если в резуль­тате сравнения и обобщения готовится материал для после­дующих обобщений, то в науке фиксируется новое явление. Однако это не означает завершения процесса формирования научного факта. Вновь зафиксированное явление становится научным фактом после его интерпретации.

Таким образом, научный факт, полученный в эксперименте, представляет собой результат обобщения совокупности выво­дов, основанных на наблюдениях и измерениях характеристик исследуемого объекта при предсказании их в виде гипотезы.¹⁾

 

 

2. Современные средства естественно-научных исследований

Специфика современных, экспериментальных и теоретических исследований

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 усилий, 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 ученые 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-естествоиспыгателей, 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 — о'дной 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 быстропроте-кающих физических и химических процессов.

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.

Чем шире спектр излучения лазера, в котором он может пе­рестраиваться, тем ценнее такой лазер для исследователя. Сре­ди лазеров с перестраиваемой длиной волны широко применя­ются лазеры на красителях. Длина волн излучения таких лазе­ров охватывает спектр от ближней ультрафиолетовой области До ближней инфракрасной, включая видимый диапазон, и легко перестраивается в этом спектре. К настоящему времени разра­ботаны лазеры, длина волны которых составляет менее 300 нм, т.е. соответствует ультрафиолетовой области. К таким лазерам относится, например, криптон-фторидный лазер.

Разрабатываются лазеры, длительность импульса излучения которых составляет менее 1 пс. Такие лазеры, несомненно, по­зволят определить механизм физических, химических и биоло­гических процессов, протекающих с чрезвычайно высокой ско­ростью.

Трудно перечислить все области применения лазеров для ис­следования многообразных химических процессов. Назовем 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 изото-пов урана и плутония; лазерные приборы служат анализаторами химического состава воздуха; в биологии лазеры дают возмож­ность изучать живые организмы на клеточном уровне. Весьма многообразны применения лазеров в химической кинетике при исследовании различных процессов, длительность которых со­ставляет от 10^-6 до 10^-12 и менее секунд.

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.

⇐ Предыдущая123Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: