«Эмпирический уровень научного познания, его основные методы и формы»

1. Научное наблюдение 

Наблюдение есть чувственное (преимущественно – ви­зуальное) отражение предметов и явлений внешнего мира. Это – исходный метод эмпирического познания, позволяю­щий получить некоторую первичную информацию об объек­тах окружающей действительности.[1]

Научное наблюдение (в отличие от обыденных, повсед­невных наблюдений) характеризуется рядом особенностей:

–      целенаправленностью (наблюдение должно вестись для решения поставленной задачи исследования, а внимание наблюдателя фиксироваться только на явлениях, свя­занных с этой задачей); 

–      планомерностью (наблюдение должно проводиться стро­го по плану, составленному исходя из задачи исследо­вания);

–      активностью (исследователь должен активно искать, выделять нужные ему моменты в наблюдаемом явле­нии, привлекая для этого свои знания и опыт, исполь­зуя различные технические средства наблюдения). Научные наблюдения всегда сопровождаются описани­ем объекта познания. Последнее необходимо для фикси­рования тех свойств, сторон изучаемого объекта, которые составляют предмет исследования. Описания результатов наблюдений образуют эмпирический базис науки, опираясь на который исследователи создают эмпирические обобще­ния, сравнивают изучаемые объекты по тем или иным па­раметрам, проводят классификацию их по каким-то свой­ствам, характеристикам, выясняют последовательность эта­пов их становления и развития.

Почти каждая наука проходит указанную первоначаль­ную, «описательную» стадию развития. При этом, основные требования, которые предъявляются к научному описанию, направлены на то, чтобы оно было возможно более полным, точным и объективным. Описание должно давать досто­верную и адекватную картину самого объекта, точно ото­бражать изучаемые явления. Важно, чтобы понятия, ис­пользуемые для описания, всегда имели четкий и однозначный смысл. При развитии науки, изменении ее основ пре­образуются средства описания, часто создается новая сис­тема понятий.

По способу проведения наблюдения могут быть непос­редственными и опосредованными.

При непосредственных наблюдениях те или иные свой­ства, стороны объекта отражаются, воспринимаются орга­нами чувств человека. Такого рода наблюдения дали нема­ло полезного в истории науки. Известно, например, что наблюдения положения планет и звезд на небе, проводив­шиеся в течение более двадцати лет Тихо Враге с непрев­зойденной для невооруженного глаза точностью, явились эмпирической основой для открытия Кеплером его знаме­нитых законов.[2]

В настоящее время непосредственное визуальное на­блюдение широко используется в космических исследова­ниях как важный (а иногда и незаменимый) метод науч­ного познания. Визуальные наблюдения с борта пилотируе­мой орбитальной станции – наиболее простой и весьма эффективный метод исследования из космоса параметров атмосферы, поверхности суши и океана.

Хотя непосредственное наблюдение продолжает играть немаловажную роль в современной науке, однако чаще всего научное наблюдение бывает опосредованным, т.е. проводится с использованием тех или иных технических средств. Появление и развитие таких средств во многом определило то громадное расширение возможностей мето­да наблюдений, которое произошло за последние четыре столетия.

Если, например, до начала ХVII века астрономы наблю­дали за небесными телами невооруженным глазом, то изоб­ретение Галилеем в 1608 году оптического телескопа под­няло астрономические наблюдения на новую, гораздо более высокую ступень. А создание в наши дни рентгеновских телескопов и вывод их в космическое пространство на бор­ту орбитальной станции (рентгеновские телескопы могут работать только за пределами земной атмосферы) позволи­ли проводить наблюдения за такими объектами Вселенной (пульсары, квазары), которые никаким другим путем изу­чать было бы невозможно.

Подобно развитию технических средств дальних наблю­дений, создание в XVII веке оптического микроскопа, а много позднее, уже в XX веке, и электронного микроскопа позволило исследователям наблюдать удивительный мир микрообъектов, микроявлений.

Развитие современного естествознания связано с повы­шением роли так называемых косвенных наблюдений. Так, объекты и явления, изучаемые ядерной физикой, не могут прямо наблюдаться ни с помощью органов чувств челове­ка, ни с помощью самых совершенных приборов. То, что ученые наблюдают в процессе эмпирических исследований в атомной физике, – это не сами микрообъекты, а только результаты их воздействия на определенные технические средства исследования. Например, при изучении свойств заряженных частиц с помощью камеры Вильсона эти ча­стицы воспринимаются исследователем косвенно – по таким видимым их проявлениям, как образование треков, состоящих из множества капелек жидкости.

Любые научные наблюдения, хотя они опираются в пер­вую очередь на работу органов чувств, требуют в то же вре­мя участия и теоретического мышления. Исследователь, опираясь на свои знания, опыт, должен осознать чувствен­ные восприятия и выразить их (описать) либо в поняти­ях обычного языка, либо – более строго и сокращенно – в определенных научных терминах, в каких-то графиках, таблицах, рисунках и т.п.

Наблюдения могут нередко играть важную эвристиче­скую роль в научном познании. В процессе наблюдений могут быть открыты совершенно новые явления, позволя­ющие обосновать ту или иную научную гипотезу. Приве­дем лишь один пример из области истории космических исследований. Участники длительных экспедиций в космос на орбитальной станции «Салют-6» вели наблюдения Ми­рового океана, ибо над ним и даже в его глубинах форми­руется погода планеты. В результате этих наблюдений были обнаружены так называемые синоптические вихри. Последние представляют собой специфические образования в океане, размеры и цвет которых бывают различными. Некоторые из них имеют зеленоватую окраску, что харак­теризует подъем глубинных вод к поверхности, другие от­личаются голубой окраской – здесь вода с поверхности уходит в глубину. Эти наблюдения позволили подтвердить гипотезу академика Г.И. Марчука, согласно которой в Мировом океане есть энергоактивные зоны, являющиеся своеобразными «генераторами погоды». Именно над таки­ми аномалиями и начинается формирование циклонов.

Для получения каких-то выводов об исследуемом яв­лении, для обнаружения чего-то существенного в нем за­частую требуется проведение весьма большого количества наблюдений. Например, для получения даже краткосрочно­го прогноза погоды необходимо проводить огромное число наблюдений за различными метеорологическими парамет­рами атмосферы. Такие наблюдения в современном мире осуществляют свыше 10 тысяч метеорологических станций, получающих необходимые данные в районе земной поверх­ности, и около 800 станций радиозондирования, собираю­щих данные во всей толще атмосферы. К этому надо до­бавить метеорологическую информацию, которая является результатом наблюдений, проводимых с оснащенных спе­циальной аппаратурой морских судов и самолетов, беспи­лотных метеорологических спутников Земли и пилотируе­мых орбитальных станций. Весь этот обширный комплекс технических средств обеспечивает глобальные наблюдения за состоянием атмосферы, поверхности суши и океана с целью изучения тех физических процессов, которые опре­деляют аномалии погоды на нашей планете.

Из всего вышесказанного следует, что наблюдение яв­ляется весьма важным методом эмпирического познания, обеспечивающим сбор обширной информации об окружаю­щем мире. Как показывает история науки, при правиль­ном использовании этого метода он оказывается весьма плодотворным.

2. Эксперимент

Эксперимент – более сложный метод эмпирического познания по сравнению с наблюдением. Он предполагает активное, целенаправленное и строго контролируемое воз­действие исследователя на изучаемый объект для выявле­ния и изучения тех или иных его сторон, свойств, связей. При этом экспериментатор может преобразовывать иссле­дуемый объект, создавать искусственные условия его изу­чения, вмешиваться в естественное течение процессов.

Эксперимент включает в себя другие методы эмпириче­ского исследования (наблюдение, измерение). В то же время он обладает рядом важных, присущих только ему осо­бенностей.

Во-первых, эксперимент позволяет изучать объект в «очищенном» виде, т.е. устранять всякого рода побочные факторы, наслоения, затрудняющие процесс исследования. Например, проведение некоторых экспериментов требует специально оборудованных помещений, защищенных (экра­нированных) от внешних электромагнитных воздействий на изучаемый объект.

Во-вторых, в ходе эксперимента объект может быть поставлен б некоторые искусственные, в частности, экстре­мальные условия, т.е. изучаться при сверхнизких темпе­ратурах, при чрезвычайно высоких давлениях или, наобо­рот, в вакууме, при огромных 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. Очень интересными и многообещающими являются в этом плане космические эксперименты, позво­ляющие изучать объекты, явления в таких особых, необыч­ных условиях (невесомость, глубокий вакуум), которые не­достижимы в земных лабораториях.

В-третьих, изучая какой-либо процесс, экспериментатор может вмешиваться в него, активно влиять на его проте­кание. Как отмечал академик И.П. Павлов «наблюдение собирает то, что ему предлагает природа, опыт же берет у природы то, что хочет».[3]

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.

В истории науки известен, например, такой случай. Американский физик Шэнкланд, изучавший соударения фотонов с электронами, пришел к выводу о невыполнении закона сохранения энергии в элементарном акте соударе­ния. Эти эксперименты вызвали сенсацию. Но ряд круп­ных физиков отнеслись к ним скептически. Тогда Шэнкланд решил повторить свои эксперименты. Пытаясь вос­произвести свои прежние результаты, он нашел ошибку, в методике экспериментирования. Выявилось, что при правильной постановке эксперимента закон сохранения энер­гии соблюдается и в указанном элементарном акте соуда­рения. Так, благодаря воспроизводимости эксперименталь­ных исследований, вторая работа Шэнкланда опровергла первую.

Подготовка и проведение эксперимента требуют соблю­дения ряда условий. Так, научный эксперимент:

–      никогда не ставится «наобум», он предполагает нали­чие четко сформулированной цели исследования;

–      не делается «вслепую», он всегда базируется на каких-то исходных теоретических положениях;

–      не проводится беспланово, хаотически; предварительно исследователь намечает пути его проведения;

–      требует определенного уровня развития технических средств познания, необходимого для его реализации;

–      должен проводиться людьми, имеющими достаточно высокую квалификацию.

Только совокупность всех этих условий определяет ус­пех в экспериментальных исследованиях.

В зависимости от характера проблем, решаемых в ходе экспериментов, последние обычно 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, в ходе которых обнаружилось странное поведение альфа-частиц при бомбардировке ими золотой фольги: большинство частиц проходило сквозь фольгу, небольшое количество частиц отклонялось и рас­сеивалось, а некоторые частицы не просто отклонялись, а отскакивали обратно, как мяч от сетки. Такая эксперимен­тальная картина, согласно расчетам, получалась в силу того, что вся масса атома сосредоточена в ядре, занимаю­щем ничтожную часть его объема (отскакивали обратно альфа-частицы, соударявшиеся с ядром). Так, исследова­тельский эксперимент, проведенный Резерфордом и его со­трудниками, привел к обнаружению ядра атома, а тем са­мым и к рождению ядерной физики.

Проверочные эксперименты служат для проверки, под­тверждения тех или иных теоретических построений. Так, существование целого ряда элементарных частиц (позитро­на, нейтрино и др.) было вначале предсказано теоретиче­ски, и лишь позднее они были обнаружены эксперименталь­ным путем.

Исходя из методики проведения и получаемых резуль­татов, эксперименты можно разделить на качественные и количественные. Качественные эксперименты, носят поис­ковый характер и не приводят к получению каких-либо количественных соотношений. Они позволяют лишь выя­вить действие тех или иных факторов на изучаемое явле­ние. Количественные эксперименты направлены на уста­новление точных количественных зависимостей в исследуе­мом явлении. В реальной практике экспериментального исследования оба указанных типа экспериментов реализу­ются, как правило, в виде последовательных этапов разви­тия познания.

Как известно, связь между электрическими и магнитны­ми явлениями впервые была 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 опубликования Эрстедом своего откры­тия последовали количественные эксперименты француз­ских ученых Био и Савара, а также опыты Ампера, на ос­нове которых была выведена соответствующая математи­ческая формула. Все эти качественные и количественные эмпирические исследования заложили основы учения об электромагнетизме.

В зависимости от области научного знания, в которой используется экспериментальный метод исследования, раз­личают естественнонаучный, прикладной (в технических науках, в сельскохозяйственной науке и т.д.) и социаль­но-экономический эксперименты.

В конце XIX века, например, два видных ученых Г. Герц и А. С. Попов занимались экспериментальным изучением электромагнитных колебаний. Но Герц ставил перед собой лишь задачу экспериментальной проверки теоретических построений Максвелла. Практическое применение электро­магнитных колебаний его не интересовало. Поэтому экс­перименты Герца, в ходе которых были получены электро­магнитные волны, предсказанные теорией Максвелла, следует рассматривать как естественнонаучные. Что же каса­ется экспериментов А.С. Попова, то они имели четкую практическую направленность (как практически использо­вать «волны Герца»?) и были экспериментами в области зарождающейся прикладной науки – радиотехники. Бо­лее того, Герц вообще не верил в возможность практиче­ского применения электромагнитных волн, не видел ника­кой связи между своими экспериментами и нуждами прак­тики. Узнав о попытках практического использования электромагнитных волн, Герц даже написал в Дрезденскую палату коммерции, что исследования в этом направлении нужно запретить как бесполезные.

Завершая рассмотрение экспериментального метода ис­следования, следует упомянуть об очень важной проблеме планирования эксперимента. Еще в первой половине ны­нешнего столетия все экспериментальные исследования сводились к проведению так называемого однофакторного эксперимента, когда изменялся какой-то один фактор ис­следуемого процесса, а все остальные оставались неизмен­ными. Но развитие науки настойчиво требовало исследо­вания процессов, зависящих от множества меняющихся факторов. Использование в этом случае методики однофакторного эксперимента было бессмысленным, ибо требо­вало выполнения астрономического количества опытов.

В начале 20-х годов XX столетия английский статис­тик Р. Фишер впервые разработал и доказал целесообраз­ность метода одновременного варьирования всех факторов, влияющих на результаты экспериментальных исследова­ний в области прикладных наук. Но лишь через три де­сятилетия эта работа Фишера нашла практическое при­менение. В 1951 году Бокс и Уилсон разработали метод, по которому исследователь должен ставить последова­тельные небольшие серии опытов, варьируя в каждой из этих серий по определенным правилам все факторы. При­чем организуются указанные серии таким образом, чтобы после математической обработки предыдущей можно было бы выбрать (спланировать) условия проведения следующей серии, что в конечном итоге позволит выйти в область оп­тимума.

После упомянутой работы Бокса и Уилсона появился целый ряд работ на эту же тему, в которых предлагались и другие методики. Достигнутые успехи в теоретической разработке и практическом применении планирования экс­перимента в научных исследованиях привели к появле­нию новой дисциплины – математической теории экс­перимента. Эта теория направлена на решение задачи по­лучения достоверного результата экспериментального исследования с минимальными затратами труда, времени и средств. В итоге достигается оптимизация работы экспе­риментатора при одновременном обеспечении высокого ка­чества экспериментальных исследований. А «высокое ка­чество эксперимента, – как подчеркивал академик П.Л. Ка­пица, – является необходимым условием здорового разви­тия науки».[4]

3. Измерение

Большинство научных экспериментов и наблюдений включает в себя проведение разнообразных измерений. Измерение – это процесс, заключающийся в определении количественных значений тех или иных свойств, сторон изучаемого объекта, явления с помощью специальных тех­нических устройств.

Огромное значение измерений для науки отмечали мно­гие видные ученые. Например, Д.И. Менделеев подчерки­вал, что «наука начинается с тех пор, как начинают изме­рять». А известный английский физик В. Томсон (Кель­вин) указывал на то, что «каждая вещь известна лишь в той степени, в какой ее можно измерить».[5]

Важной стороной процесса измерения является методи­ка его проведения. Она представляет собой совокупность приемов, использующих определенные принципы и средства измерений. Под принципами измерений в данном случае имеются в виду какие-то явления, которые положены в основу измерений (например, измерение температуры с ис­пользованием термоэлектрического эффекта).

Результат измерения получается в виде некоторого чис­ла единиц измерения. Единица измерения – это эталон, с которым сравнивается измеряемая сторона объекта или явления (эталону присваивается числовое значение «I»). Существует множество единиц измерения, соответствующее множеству объектов, явлений, их свойств, сторон, связей, которые приходится измерять в процессе научного позна­ния. При этом единицы измерения подразделяются на основные, выбираемые в качестве базисных при построении системы единиц, и производные, выводимые из других еди­ниц с помощью каких-то математических соотношений.

Методика построения системы единиц как совокупнос­ти основных и производных была впервые предложена в 1832 году К. Гауссом. Он построил систему единиц, в ко­торой за основу были приняты три произвольные, незави­симые друг от друга основные единицы – длины (милли­метр), массы (миллиграмм) и времени (секунда). Все осталь­ные (производные) единицы можно было определить с помощью этих трех. В дальнейшем с развитием науки и техники появились и другие системы единиц физических величин, построенных по принципу, предложенному Гаус­сом. Они базировались на метрической системе мер, но от­личались друг от друга основными единицами.

Кроме того, в физике появились так называемые есте­ственные системы единиц. Их основные единицы опреде­лялись из законов природы (это исключало произвол че­ловека при построении указанных систем). Примером мо­жет служить «естественная» система физических единиц, предложенная в свое время Максом Планком. В ее осно­ву были положены «мировые постоянные»: скорость све­та в пустоте, постоянная тяготения, постоянная Больцмана и постоянная Планка. Исходя из них и приравняв их к «I», Планк получил ряд производных единиц (длины, массы, времени и температуры).

Основное значение подобных «естественных» систем единиц (к ним откосятся также система атомных единиц Хартри и некоторые другие) состоит в существенном уп­рощении вида отдельных уравнений физики. Однако раз­меры единиц таких систем делают их малоудобными для практики. Кроме того, точность измерения основных еди­ниц подобных систем, необходимая для установления всех производных единиц, еще далеко не достаточна. В силу указанных причин предложенные до сих пор «естествен­ные» системы единиц не могут в настоящее время найти применения при решении вопроса об унификации единиц измерения.

Вопрос об обеспечении единообразия в измерении вели­чин, отражающих те или иные явления материального мира, всегда был очень важным. Отсутствие такого едино­образия порождало существенные трудности для научного познания. Например, до 1880 года включительно не суще­ствовало единства в измерении электрических величин: использовалось 15 различных единиц электрического со­противления, 8 единиц электродвижущей силы, 5 единиц электрического тока и т. д. Сложившееся положение силь­но затрудняло сопоставление результатов измерений и рас­четов, выполненных различными исследователями. Остро ощущалась необходимость введения единой системы элект­рических единиц. Такая система была принята первым международным конгрессом по электричеству, состоявшим­ся в 1881 году.

В настоящее время в естествознании действует преиму­щественно Международная система единиц (СИ), принятая в 1960 году XI Генеральной конференцией по мерам и ве­сам. Международная система единиц построена на базе семи основных (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, кандела, моль) и двух дополнительных (радиан, стерадиан) единиц. С помощью специальной таблицы множителей и приставок можно образовывать кратные и дольные едини­цы (например, с помощью множителя 10^-3 и приставки «милли» к наименованию любой из названных выше еди­ниц измерения можно образовывать дольную единицу раз­мером в одну тысячную от исходной).

Международная система единиц физических величин является наиболее совершенной и универсальной из всех существовавших до настоящего времени. Она охватывает физические величины механики, термодинамики, электро­динамики и оптики, которые связаны между собой физи­ческими законами.

Потребность в единой международной системе единиц измерения в условиях современной научно-технической резолюции очень велика. Поэтому такие международные организации, как ЮНЕСКО и Международная организация законодательной метрологии, призвали государства, явля­ющиеся членами этих организаций, принять вышеупомя­нутую Международную систему единиц и градуировать в этих единицах все измерительные приборы.

Существует несколько видов измерений. Исходя из ха­рактера зависимости измеряемой величины от времени, из­мерения разделяют на статические и динамические. При статических измерениях величина, которую мы измеряем, остается постоянной во времени (измерение размеров тел, постоянного давления и т.п.). К динамическим относят­ся такие измерения, в процессе которых измеряемая вели­чина меняется во времени (измерение вибраций, пульсирующих давлений и т.п.).

По способу получения результатов различают измере­ния прямые и косвенные. В прямых измерениях искомое значение измеряемой величины получается путем непос­редственного сравнения ее с эталоном или выдается изме­рительным прибором. При косвенном измерении искомую величину определяют на основании известной математиче­ской зависимости между этой величиной и другими вели­чинами, получаемыми путем прямых измерений (например, нахождение удельного электрического сопротивления про­водника по его сопротивлению, длине и площади попереч­ного сечения). Косвенные измерения широко используют­ся в тех случаях, когда искомую величину невозможно или слишком сложно измерить непосредственно или когда пря­мое измерение дает менее точный результат.

Технические возможности измерительных приборов в значительной мере отражают уровень развития науки. С современной точки зрения, приборы, использовавшиеся учеными-естествоиспытателями в XIX веке и в начале XX столетия, были весьма несовершенны. Тем не менее, с помощью этих приборов ставились иногда блестящие экс­перименты, оставившие заметный след в истории науки, от­крывались и изучались важные закономерности природы.

С прогрессом науки продвигается вперед и измеритель­ная техника. Наряду с совершенствованием существую­щих измерительных приборов, работающих на основе тра­диционных, утвердившихся принципов (замена материалов, из которых сделаны детали прибора; внесение в его конст­рукцию отдельных изменений и т.д.), происходит переход на принципиально новые конструкции измерительных уст­ройств, обусловленные новыми теоретическими предпосыл­ками. В последнем случае создаются приборы, в которых находят реализацию новые научные достижения. Так, на­пример, развитие квантовой физики существенно повыси­ло возможности измерений с высокой степенью точности. Использование эффекта Мессбауэра позволяет создать при­бор с разрешающей способностью порядка 10^-13% измеряе­мой величины.

Хорошо развитое измерительное приборостроение, раз­нообразие методов и высокие характеристики средств из­мерения способствуют прогрессу в научных исследованиях. В свою очередь, решение научных проблем часто открывает новые пути совершенствова­ния самих измерений.