РЕФЕРАТ
за курсом: Концепції сучасного природознавства
за темою: "Загальнонаукові методи емпіричного пізнання"
1 Класифікація методів наукового пізнання
Поняття «метод» (від грец. «Методос» - шлях до чого-небудь) означає сукупність прийомів і операцій практичного і теоретичного освоєння дійсності.
Метод озброює людини системою принципів, вимог, правил, керуючись якими він може досягти наміченої мети. Володіння методом означає для людини знання того, яким чином, в якій послідовності робити ті чи інші дії для вирішення тих чи інших завдань, і вміння застосовувати ці знання на практиці.
Вчення про метод почало розвиватися ще в науці Нового часу. Її представники вважали правильний метод орієнтиром у русі до надійного, щирого знання. Так, відомий філософ XVII століття Ф. Бекон порівнював метод пізнання з ліхтарем, який висвітлює дорогу подорожньому, що йде в темряві. А інший відомий вчений і філософ того ж періоду Р. Декарт виклав своє розуміння методу наступним чином: «Під методом я розумію точні і прості правила, суворе дотримання яких без зайвої витрати розумових сил, але поступово і безперервно збільшуючи знання, сприяє тому, що розум досягає істинного пізнання всього, що йому доступно ».
Існує ціла область знання, яка спеціально займається вивченням методів і яку прийнято іменувати методологією. Методологія дослівно означає «вчення про методи» (бо відбувається цей термін від двох грецьких слів: «методос» - метод і «логос» - вчення). Вивчаючи закономірності людської пізнавальної діяльності, методологія виробляє на цій основі методи її здійснення. Найважливішим завданням методології є вивчення походження, сутності, ефективності та інших характеристик методів пізнання.
Методи наукового пізнання прийнято поділяти за ступенем їхньої спільності, тобто по широті застосування в процесі наукового дослідження.
Загальних методів в історії пізнання відомо два: діалектичний і метафізичний. Це загально-філософські методи. Метафізичний метод з середини XIX століття почав все більше і більше витіснятися з природознавства діалектичним методом.
Другу групу методів пізнання становлять загальнонаукові методи, які використовуються в самих різних областях науки, тобто мають досить широкий міждисциплінарний спектр застосування. Класифікація загальнонаукових методів тісно пов'язана з поняттям рівнів наукового пізнання.
Розрізняють два рівні наукового пізнання: емпіричний і теоретичний. Одні загальнонаукові методи застосовуються тільки на емпіричному рівні (спостереження, експеримент, вимірювання), інші - тільки на теоретичному (ідеалізація, формалізація), а деякі (наприклад, моделювання) - як на емпіричному, так і на теоретичному рівнях.
Емпіричний рівень наукового пізнання характеризується безпосереднім дослідженням реально існуючих, чуттєво сприймаються об'єктів. На цьому рівні здійснюється процес накопичення інформації про досліджувані об'єкти, явища шляхом проведення спостережень, виконання різноманітних вимірів, постановки експериментів. Тут виробляється також первинна систематизація одержуваних фактичних даних у вигляді таблиць, схем, графіків і т. п. Крім того, вже на другому рівні наукового пізнання - як наслідок узагальнення наукових фактів - можливо формулювання деяких емпіричних закономірностей.
Теоретичний рівень наукового дослідження здійснюється на раціональній (логічного) ступені пізнання. На даному рівні відбувається розкриття найбільш глибоких, суттєвих сторін, зв'язків, закономірностей, властивих досліджуваним об'єктам, явищам. Теоретичний рівень - більш висока ступінь в науковому пізнанні. Результатами теоретичного пізнання стають гіпотези, теорії, закони.
Виділяючи в науковому дослідженні зазначені два різних рівня, не слід, однак, їх відривати один від одного і протиставляти. Адже емпіричний і теоретичний рівні пізнання взаємопов'язані між собою. Емпіричний рівень виступає в якості основи, фундаменту теоретичного осмислення наукових фактів, статистичних даних, одержуваних на емпіричному рівні. До того ж теоретичне мислення неминуче спирається на чуттєво-наочні образи (в тому числі схеми, графіки тощо), з якими має справу емпіричний рівень дослідження.
У свою чергу, емпіричний рівень наукового пізнання не може існувати без досягнень теоретичного рівня. Емпіричне дослідження зазвичай спирається на певну теоретичну конструкцію, яка визначає напрямок цього дослідження, обумовлює і обгрунтовує застосовуються при цьому методи.
До третьої групи методів наукового пізнання відносяться методи, використовувані тільки в рамках досліджень якоїсь конкретної науки або якогось конкретного явища. Такі методи іменуються частнонаучнимі. Кожна приватна наука (біологія, хімія, геологія тощо) має свої специфічні методи дослідження.
При цьому частнонаучние методи, як правило, містять в різних поєднаннях ті чи інші загальнонаукові методи пізнання. У частнонаучних методах можуть бути присутніми спостереження, вимірювання, індуктивні або дедуктивні умовиводи і т. д. Характер їх поєднання і використання знаходиться в залежності від умов дослідження, природи досліджуваних об'єктів. Таким чином, частнонаучние методи не відірвані від загальнонаукових. Вони тісно пов'язані з ними, включають в себе специфічне застосування загальнонаукових пізнавальних прийомів для вивчення конкретної області об'єктивного світу.
Частнонаучние методи пов'язані і з загальним діалектичним методом, який як би переломлюється через них. Наприклад, загальний діалектичний принцип розвитку проявився в біології у вигляді відкритого Ч. Дарвіном природно-історичного закону еволюції тварин і рослинних видів.
До сказаного залишається додати, що будь-який метод сам по собі ще не визначає успіху в пізнанні тих чи інших сторін матеріальної дійсності. Важливо ще вміння правильно застосовувати науковий метод у процесі пізнання.
2 Спостереження
Спостереження є чуттєве відображення предметів і явищ зовнішнього світу. Це - вихідний метод емпіричного пізнання, що дозволяє отримати деяку первинну інформацію про об'єкти навколишньої дійсності.
Наукове спостереження (на відміну від буденних, повсякденних спостережень) характеризується низкою особливостей:
цілеспрямованістю (спостереження має вестися для вирішення поставленого завдання дослідження, а увага спостерігача фіксуватися тільки на явищах, пов'язаних з цим завданням);
планомірністю (спостереження повинне проводитися строго за планом, складеним виходячи із завдання дослідження);
активністю (дослідник повинен активно шукати, виділяти потрібні йому моменти в що спостерігається явище, залучаючи для цього свої знання і досвід, використовуючи різні технічні засоби спостереження).
Наукові спостереження завжди супроводжуються описом об'єкта пізнання. Останнє необхідне для фіксування тих властивостей, сторін досліджуваного об'єкта, які становлять предмет дослідження. Описи результатів спостережень утворюють емпіричний базис науки, спираючись на який дослідники створюють емпіричні узагальнення, порівнюють досліджувані об'єкти з тих чи інших параметрах, проводять класифікацію їх за якимось властивостями, характеристиками, з'ясовують послідовність етапів їх становлення і розвитку.
Майже кожна наука проходить зазначену первісну, «описову» стадію розвитку. При цьому, як підкреслюється в одній з робіт, що стосуються цього питання, «основні вимоги, які пред'являються до наукового опису, спрямовані на те, щоб воно було максимально повним, точним і об'єктивним. Опис повинен давати достовірну і адекватну картину самого об'єкта, точно відображати досліджувані явища. Важливо, щоб поняття, використовувані для опису, завжди мали чітку і однозначну сенс. При розвитку науки, зміні її основ перетворюються засоби опису, часто створюється нова система понять »2.
Спостереження як метод пізнання більш-менш задовольняло потреби наук, які перебували на описово-емпіричної щаблі розвитку. Подальший прогрес наукового пізнання був пов'язаний з переходом багатьох наук до наступної, більш високому ступені розвитку, на якій спостереження доповнювалися експериментальними дослідженнями, які передбачають цілеспрямований вплив на досліджувані об'єкти.
Що стосується спостережень, то в них відсутня діяльність, спрямована на перетворення, зміна об'єктів пізнання. Це обумовлюється рядом обставин: неприступністю цих об'єктів для практичного впливу (наприклад, спостереження віддалених космічних об'єктів), нежелательностью, виходячи з цілей дослідження, втручання в спостережуваний процес (фенологічні, психологічні та ін спостереження), відсутністю технічних, енергетичних, фінансових та інших можливостей постановки експериментальних досліджень об'єктів пізнання.
За способом проведення спостереження можуть бути безпосередніми і опосередкованими.
При безпосередніх спостереженнях ті чи інші властивості, сторони об'єкта відображаються, сприймаються органами чуття людини. Такого роду спостереження дали чимало корисного в історії науки. Відомо, наприклад, що спостереження положення планет і зірок на небі, що проводилися протягом більше двадцяти років Тихо Браге з неперевершеною для неозброєного ока точністю, з'явилися емпіричною основою для відкриття Кеплером його знаменитих законів.
В даний час безпосереднє візуальне спостереження широко використовується в космічних дослідженнях як важливий (а іноді і незамінний) метод наукового пізнання. Візуальні спостереження з борту пілотованої орбітальної станції - найбільш простий і дуже ефективний метод дослідження параметрів атмосфери, поверхні суші та океану з космосу у видимому діапазоні. «З орбіти штучного супутника Землі очей людини може впевнено визначити межі хмарного покриву, типи хмар, межі виносу каламутних річкових вод у морі, переглянути рельєф дна на мілководді, визначити характеристики океанічних вихорів і пилових бур розміром у кілька сот кілометрів, розрізняти типи планктону і т . п. Комплексне сприйняття спостережуваних явищ ... виборча здатність людського зору і логічний аналіз результатів спостережень - це ті унікальні властивості методу візуальних спостережень, якими не володіє ніякою набір апаратури ».
«Можливості візуального методу спостережень істотно збільшуються, якщо використовувати інструменти, що розширюють межі людського зору. Це можуть бути біноклі, зорові труби, прилади нічного бачення з оптико-електронних посиленням світла ».
Хоча безпосереднє спостереження продовжує грати важливу роль в сучасній науці, однак найчастіше наукове спостереження буває опосередкованим, тобто проводиться з використанням тих чи інших технічних засобів. Поява і розвиток таких засобів багато в чому визначило те величезне розширення можливостей методу спостережень, яке відбулося за останні чотири століття.
Якщо, наприклад, до початку XVII століття астрономи спостерігали за небесними тілами неозброєним оком, то винахід Галілеєм в 1608 році оптичного телескопа підняло астрономічні спостереження на нову, набагато більш високу ступінь. А створення в наші дні рентгенівських телескопів і виведення їх у космічний простір на борту орбітальної станції (рентгенівські телескопи можуть працювати тільки за межами земної атмосфери) дозволили проводити спостереження за такими об'єктами Всесвіту (пульсари, квазари), які ніяким іншим шляхом вивчати було б неможливо.
Подібно розвитку технічних засобів далеких спостережень, створення в XVII столітті оптичного мікроскопа, а багато пізніше, вже в XX столітті, і електронного мікроскопа дозволило дослідникам спостерігати дивовижний світ мікрооб'єктів мікроявленій.
Розвиток сучасного природознавства пов'язано з підвищенням ролі так званих непрямих спостережень. Так, об'єкти і явища, що вивчаються ядерною фізикою, не можуть прямо спостерігатися ні з допомогою органів почуттів людини, ні з допомогою найдосконаліших приладів. Те, що вчені спостерігають у процесі емпіричних досліджень в атомній фізиці, - це не самі мікрооб'єкти, а тільки результати їх впливу на певні об'єкти, що є технічними засобами дослідження. Наприклад, при вивченні властивостей заряджених частинок за допомогою камери Вільсона ці частки сприймаються дослідником побічно - за такими видимим їх проявів, як освіта треків, що складаються з безлічі крапельок рідини.
Непрямі спостереження обов'язково грунтуються на деяких теоретичних положеннях, які визначають певний зв'язок (скажімо, у вигляді математично вираженою функціональної залежності) між що спостерігаються і неспостережний явищами. Підкреслюючи роль теорії в процесі таких спостережень. А. Ейнштейн у розмові з В. Гейзенбергом зауважив: «Чи можна спостерігати це явище чи ні - залежить від вашої теорії. Саме теорія повинна встановити, що можна спостерігати, а що не можна ».
Взагалі будь-які наукові спостереження, хоча вони спираються в першу чергу на роботу органів почуттів, вимагають в той же час участі і теоретичного мислення. Дослідник, спираючись на свої знання, досвід, повинен усвідомити чуттєві сприйняття і висловити їх (описати) або в поняттях звичайної мови, або - більш суворо і скорочено - в певних наукових термінах, в якихось графіках таблицях, малюнках і т. п.
Спостереження можуть нерідко грати важливу евристичну роль у науковому пізнанні. У процесі спостережень можуть бути відкриті абсолютно нові явища, що дозволяють обгрунтувати ту чи іншу наукову гіпотезу. Наведемо лише один приклад з області історії космічних досліджень. Учасники тривалих експедицій в космос на орбітальній станції «Салют-6» вели спостереження Світового океану, бо над ним і навіть у його глибинах формується погода планети. У результаті цих спостережень були виявлені так звані синоптичні вихори. Останні являють собою специфічні утворення в океані, розміри і колір яких бувають різними. Деякі з них мають зеленувате забарвлення, що характеризує підйом глибинних вод до поверхні, інші відрізняються блакитний забарвленням, - тут вода з поверхні йде в глибину. Ці спостереження дозволили підтвердити гіпотезу академіка Г.І. Марчука, згідно з якою в Світовому океані є Енергоактивні зони, які є своєрідними "генераторами погоди». Саме над такими аномаліями і починається формування циклонів.
Для отримання якихось висновків про досліджуваному явищі, для виявлення чогось істотного в ньому часто потрібне проведення вельми великої кількості спостережень. Наприклад, для отримання навіть короткострокового (до 7-10 діб) прогнозу погоди необхідно проводити величезну кількість спостережень за різними метеорологічними параметрами атмосфери. Такі спостереження в сучасному світі здійснюють понад 10 тисяч метеорологічних станцій, які отримують необхідні дані в районі земної поверхні, і близько 800 станцій радиозондирования, збирають дані у всій товщі атмосфери. До цього треба додати метеорологічну інформацію, яка є результатом спостережень, проведених з оснащених спеціальною апаратурою морських суден і літаків, безпілотних метеорологічних супутників Землі і пілотованих орбітальних станцій. Весь цей великий комплекс технічних засобів забезпечує глобальні спостереження за станом атмосфери, поверхні суші та океану з метою вивчення тих фізичних процесів, які визначають аномалії погоди на нашій планеті.
З усього вищесказаного випливає, що спостереження є досить важливим методом емпіричного пізнання, що забезпечує збір великої інформації про навколишній світ. Як показує історія науки, при правильному використанні цього методу він виявляється досить плідним.
3 Експеримент
Експеримент - більш складний метод емпіричного пізнання в порівнянні зі спостереженням. Він передбачає активне, цілеспрямоване і суворо контрольоване вплив дослідника на об'єкт, що вивчається для виявлення і вивчення тих чи інших його сторін, властивостей, зв'язків. При цьому експериментатор може перетворювати досліджуваний об'єкт, створювати штучні умови його вивчення, втручатися в природний плин процесів.
Експеримент включає в себе інші методи емпіричного дослідження (спостереження, вимірювання). У той же час він володіє рядом важливих, властивих тільки йому особливостей.
По-перше, експеримент дозволяє вивчати об'єкт у «чистому» вигляді, тобто усувати будь-якого роду побічні чинники, нашарування, що ускладнюють процес дослідження. Наприклад, проведення деяких експериментів вимагає спеціально обладнаних приміщень, захищених (екранованих) від зовнішніх електромагнітних впливів на об'єкт, що вивчається.
По-друге, в ході експерименту об'єкт може бути поставлений в деякі штучні, зокрема, екстремальні умови, тобто вивчатися при наднизьких температурах, при надзвичайно високому тиску або, навпаки, у вакуумі, при величезних напруженостях електромагнітного поля і т. п . У таких штучно створених умовах вдається виявити дивовижні, часом несподівані властивості об'єктів і тим самим глибше розуміти їх сутність. Дуже цікавими і багатообіцяючими є в цьому плані космічні експерименти, що дозволяють вивчати об'єкти, явища в таких особливих, незвичайних умовах (невагомість, глибокий вакуум), які недосяжні в земних лабораторіях.
По-третє, вивчаючи будь-який процес, експериментатор може втручатися в нього, активно впливати на його перебіг. Як відзначав академік І.П. Павлов, «досвід ніби бере явища в свої руки і пускає в хід то одне, то інше і таким чином у штучних, спрощених комбінаціях визначає справжню зв'язок між явищами. Інакше кажучи, спостереження збирає те, що йому пропонує природа, досвід же бере у природи те, що хоче ».
По-четверте, важливим достоїнством багатьох експериментів є їх відтворюваність. Це означає, що умови експерименту, а відповідно і проводяться при цьому спостереження, вимірювання можуть бути повторені стільки разів, скільки це необхідно для отримання достовірних результатів.
В історії науки відомий, наприклад, такий випадок. Американський фізик Шенкланд, який вивчав зіткнення фотонів з електронами, прийшов до висновку про невиконання закону збереження енергії в елементарному акті зіткнення. Ці експерименти викликали сенсацію. Але ряд великих фізиків, в тому числі А.Ф. Іоффе, поставилися до них скептично. Тоді Шенкланд вирішив повторити свої експерименти. Намагаючись відтворити свої колишні результати, він знайшов помилку в методиці експериментування. Виявилося, що при правильній постановці експерименту закон збереження енергії дотримується і в зазначеному елементарному акті зіткнення. Так, завдяки відтворюваності експериментальних досліджень, друга робота Шенкланда спростувала першу.
Підготовка та проведення експерименту вимагають дотримання ряду умов. Так, науковий експеримент:
ніколи не ставиться навмання, він припускає наявність чітко сформульованої мети дослідження;
не робиться «наосліп», він завжди базується на якихось вихідних теоретичних положеннях;
не проводиться безпланово, хаотично;
попередньо дослідник намічає шляхи його проведення;
вимагає певного рівня розвитку технічних засобів пізнання, необхідного для його реалізації;
повинен проводитися людьми, що мають досить високу кваліфікацію.
Тільки сукупність всіх цих умов визначає успіх в експериментальних дослідженнях.
Залежно від характеру проблем, що вирішуються в ході експериментів, останні зазвичай поділяються на дослідницькі та перевірочні.
Дослідницькі експерименти дають можливість виявити в об'єкта нові, невідомі властивості. Результатом такого експерименту можуть бути висновки, що не випливають з наявних знань про об'єкт дослідження. Прикладом можуть служити експерименти, поставлені в лабораторії Е. Резерфорда, в ході яких виявилося дивну поведінку альфа-частинок при бомбардуванні ними золотої фольги: більшість частинок проходило крізь фольгу, невелика кількість часток відхилялося і розсіювалося, а деякі частинки не просто відхилялися, а відскакували назад , як м'яч від сітки. Така експериментальна картина, згідно з розрахунками, виходила в силу того, що вся маса атома зосереджена в ядрі, що займає незначну частину його обсягу (відскакували назад альфа-частинки, соударяются з ядром). Так, дослідницький експеримент, проведений Резерфордом і його співробітниками, привів до виявлення ядра атома, а тим самим і до народження ядерної фізики.
Перевірочні експерименти служать для перевірки, підтвердження тих чи інших теоретичних побудов. Так, існування цілого ряду елементарних частинок (позитрона, нейтрино і ін) було спочатку передбачено теоретично, і лише пізніше вони були виявлені експериментальним шляхом.
Проникнення людського пізнання в мікросвіт вимагало проведення експериментальних досліджень, в яких не можна було знехтувати впливом приладу на об'єкт (точніше сказати, мікрооб'єкт) пізнання. З цієї обставини деякі фізики стали робити висновки, що, на відміну від класичної механіки, у квантовій механіці експеримент відіграє принципово іншу роль.
Але обурює вплив приладу не змінює пізнавальної ролі експерименту у фізиці мікросвіту. Прилади надають обурює дію на об'єкт, що вивчається і в класичній фізиці, що має справу з макрооб'єктив, тільки це їх дія тут дуже мало, і їм можна знехтувати. У сфері ж матеріальної дійсності, що вивчається квантовою механікою, прилад робить на частку набагато більш суттєве обурює вплив, яким знехтувати не можна. Проте цей вплив не означає, що властивості мікрочастинок матерії породжуються приладом з волі експериментатора (скоріш за деякими фізикам). Необхідно відзначити також, що виводить із рівноваги дію стосується тільки кількісної сторони мікрочастинки - величини енергії, імпульсу, її просторової локалізації. Якісна ж специфіка мікрочастинок не зазнає при обурення ніяких змін: електрон залишається електроном, протон - протоном і т. д.
Виходячи з методики проведення та одержуваних результатів, експерименти можна розділити на якісні і кількісні. Якісні експерименти носять пошуковий характер і не призводять до отримання будь-яких кількісних співвідношень. Вони дозволяють лише виявити дію тих чи інших факторів на досліджуване явище. Кількісні експерименти спрямовані на встановлення точних кількісних залежностей в досліджуваному явищі. У реальній практиці експериментального дослідження обидва зазначених типу експериментів реалізуються, як правило, у вигляді послідовних етапів розвитку пізнання.
Як відомо, зв'язок між електричними і магнітними явищами вперше була відкрита датським фізиком Ерстед в результаті чисто якісного експерименту (помістивши магнітну стрілку компаса поруч з провідником, через який пропускався електричний струм, він виявив, що стрілка відхиляється від початкового положення). Після опублікування Ерстед свого відкриття пішли кількісні експерименти французьких вчених Біо і Савара, а також досліди Ампера, на основі яких була виведена відповідна математична формула. Всі ці якісні та кількісні емпіричні дослідження заклали основи вчення про електромагнетизм.
У залежності від області наукового знання, в якій використовується експериментальний метод дослідження, розрізняють природничонауковий, прикладної (в технічних науках, в сільськогосподарській науці і т. д.) і соціально-економічний експерименти.
У кінці XIX століття, наприклад, два видних вчених Г. Герц і А.С. Попов займалися експериментальним вивченням електромагнітних коливань. Але Герц ставив перед собою лише завдання експериментальної перевірки теоретичних побудов Максвелла. Практичне застосування електромагнітних коливань його не цікавило. Тому експерименти Герца, в ході яких були отримані електромагнітні хвилі, передбачені теорією Максвелла, слід розглядати як природничі. Що ж стосується експериментів А.С. Попова, то вони мали чітку практичну спрямованість (як практично використовувати «хвилі Герца»?) І були експериментами в області зароджується прикладної науки - радіотехніки. Більш того, Герц взагалі не вірив у можливість практичного застосування електромагнітних хвиль, не бачив ніякого зв'язку між своїми експериментами і потребами практики. Дізнавшись про спроби практичного використання електромагнітних хвиль, Герц навіть написав у Дрезденську палату комерції, що дослідження в цьому напрямку потрібно заборонити як бесполезние8.
Завершуючи розгляд експериментального методу дослідження, слід згадати про дуже важливій проблемі планування експерименту. Ще в першій половині нинішнього століття всі експериментальні дослідження зводилися до проведення так званого однофакторного експерименту, коли змінювався якийсь один фактор досліджуваного процесу, а всі інші залишалися незмінними. Але розвиток науки наполегливо вимагало дослідження процесів, що залежать від безлічі мінливих чинників. Використання в цьому випадку методики однофакторного експерименту було безглуздим, бо вимагало виконання астрономічного кількості дослідів.
На початку 20-х років нашого століття англійський статистик Р. Фішер вперше розробив і довів доцільність методу одночасного варіювання всіх факторів, що впливають на результати експериментальних досліджень у галузі прикладних наук. Але лише через три десятиліття ця робота Фішера знайшла практичне застосування. У 1951 році Бокс і Уїлсон розробили метод, за яким дослідник повинен ставити послідовні невеликі серії дослідів, варіюючи в кожній з цих серії за певними правилами всі фактори. Причому організуються зазначені серії таким чином, щоб після математичної обробки попередньої можна було б вибрати (спланувати) умови проведення наступної серії, що в кінцевому підсумку дозволить вийти в область оптимуму.
Після згаданої роботи Боксу і Вілсона з'явився цілий ряд робіт на цю ж тему, в яких пропонувалися й інші методики. Досягнуті успіхи в теоретичній розробці та практичному застосуванні планування експерименту в наукових дослідженнях призвели до появи нової дисципліни - математичної теорії експерименту. Ця теорія спрямована на вирішення задачі одержання достовірного результату експериментального дослідження з мінімальними витратами праці, часу і коштів. У результаті досягається оптимізація роботи експериментатора при одночасному забезпеченні високої якості експериментальних досліджень. А «висока якість експерименту, - як підкреслював академік П.Л. Капіца, - є необхідною умовою здорового розвитку науки ».
4 Вимірювання
Більшість наукових експериментів і спостережень включає в себе проведення різноманітних вимірів. Вимірювання - це процес, що полягає у визначенні кількісних значень тих чи інших властивостей, сторін досліджуваного об'єкта, явища за допомогою спеціальних технічних пристроїв.
Величезне значення вимірів для науки відзначали багато видатні вчені. Наприклад, Д.І. Менделєєв підкреслював, що «наука починається з тих пір, як починають вимірювати». А відомий англійський фізик В. Томсон (Кельвін) вказував на те, що «кожна річ відома лише в тій мірі, в якій її можна виміряти».
Важливою стороною процесу вимірювання є методика його проведення. Вона являє собою сукупність прийомів, які використовують певні принципи та засоби вимірювань. Під принципами вимірювань в даному випадку маються на увазі якісь явища, які покладені в основу вимірювань (наприклад, вимірювання температури з використанням термоелектричного ефекту).
Наявність суб'єкта (дослідника), що виробляє вимірювання, не завжди є обов'язковим. Він може і не брати безпосередньої участі в процесі вимірювання, якщо вимірювальна процедура включена в роботу автоматичної інформаційно-вимірювальної системи. Остання будується на базі електронно-обчислювальної техніки. Причому з появою порівняно недорогих мікропроцесорних обчислювальних пристроїв у вимірювальній техніці стало можливим створення «інтелектуальних» приладів, у яких обробка даних вимірювань проводиться одночасно з чисто вимірювальними операціями.
Результат вимірювання виходить у вигляді деякого числа одиниць виміру. Одиниця виміру - це еталон, з яким порівнюється вимірювана сторона об'єкта чи явища (еталону присвоюється числове значення «1»). Існує безліч одиниць виміру, відповідне безлічі об'єктів, явищ, їх властивостей, сторін, зв'язків, які доводиться вимірювати в процесі наукового пізнання. При цьому одиниці вимірювання поділяються на основні, обрані в якості базисних при побудові системи одиниць, і похідні, що виводяться з інших одиниць за допомогою якихось математичних співвідношень.
Методика побудови системи одиниць як сукупності основних та похідних була вперше запропонована в 1832 році К. Гауссом. Він побудував систему одиниць, в якій за основу були прийняті три довільні, незалежні один від одного основні одиниці - довжини (міліметр), маси (міліграм) і часу (секунда). Усі інші (похідні) одиниці можна було визначити за допомогою цих трьох. У подальшому з розвитком науки і техніки з'явилися і інші системи одиниць фізичних величин, побудованих за принципом, запропонованим Гаусом. Вони базувалися на метричній системі мір, але відрізнялися один від одного основними одиницями.
Крім того, у фізиці з'явилися так звані природні системи одиниць. Їх основні одиниці визначалися із законів природи (це виключало свавілля людини при побудові зазначених систем). Прикладом може служити «природна» система фізичних одиниць, запропонована свого часу Максом Планком. В її основу були покладені «світові постійні: швидкість світла у порожнечі, постійна тяжіння, постійна Больцмана і постійна Планка. Виходячи з них і прирівнявши їх до «I», Планк отримав ряд похідних одиниць (довжини, маси, часу і температури). Планк так писав з приводу одиниць запропонованої ним системи: «Ці величини зберігають своє природне значення, поки закони всесвітнього тяжіння і поширення світла у порожнечі і два основних початку термодинаміки залишаться незмінним; вони повинні виходити однаковими, якими б розумними істотами і якими б методами вони ні визначалися ».
Основне значення подібних «природних» систем одиниць (до них відносяться також система атомних одиниць Хартрі і деякі інші) полягає у суттєвому спрощення вигляду окремих рівнянь фізики. Проте розміри одиниць таких систем роблять їх малоудобнимі для практики. Крім того, точність вимірювання основних одиниць подібних систем, необхідна для встановлення всіх похідних одиниць, ще далеко не достатня. У силу зазначених причин запропоновані до цих пір «природні» системи одиниць не можуть в даний час знайти застосування при вирішенні питання про уніфікацію одиниць виміру.
Питання про забезпечення однаковості у вимірі величин, що відображають ті чи інші явища матеріального світу, завжди був дуже важливим. Відсутність такого однаковості породжувало істотні труднощі для наукового пізнання. Наприклад, до 1880 року включно не існувало єдності у вимірі електричних величин: використовувалося 15 різних одиниць електричного опору, 8 одиниць електрорушійної сили, 5 одиниць електричного струму і т. д. Сформоване положення сильно ускладнювало зіставлення результатів вимірювань і розрахунків, виконаних різними дослідниками. Гостро відчувалася необхідність введення єдиної системи електричних одиниць. Така система була прийнята першим міжнародним конгресом з електрики, що відбувся в 1881 році.
В даний час в природознавстві діє переважно Міжнародна система одиниць (СІ), прийнята в 1960 році XI Генеральною конференцією з мір та ваг. Міжнародна система одиниць побудована на базі семи основних (метр, кілограм, секунда, ампер, кельвін, кандела, моль) і двох додаткових (радіан, стерадіан) одиниць. За допомогою спеціальної таблиці множників і приставок можна утворювати кратні і частинні одиниці (наприклад, за допомогою множника 10 березня та приставки «мілі» до найменування кожній із названих вище одиниць вимірювання можна утворювати Дольна одиниця розміром в одну тисячну від вихідної).
Міжнародна система одиниць фізичних величин є найбільш досконалою і універсальної з усіх, що існували до теперішнього часу. Вона охоплює фізичні величини механіки, термодинаміки, електродинаміки і оптики, які пов'язані між собою фізичними законами.
Потреба в єдиній міжнародній системі одиниць виміру в умовах сучасної науково-технічної революції дуже велика. Тому такі міжнародні організації, як ЮНЕСКО і Міжнародна організація законодавчої метрології, закликали держави, які є членами цих організацій, прийняти вищезазначену Міжнародну систему одиниць і градуювати в цих одиницях всі вимірювальні прилади.
Існує кілька видів вимірювань. Виходячи з характеру залежності вимірюваної величини від часу, вимірювання поділяють на статичні та динамічні. При статичних вимірах величина, яку ми вимірюємо, залишається постійною в часі (вимірювання розмірів тіл, постійного тиску і т. п.). До динамічних відносяться такі виміри, в процесі яких вимірювана величина змінюється в часі (вимірювання вібрацій, пульсуючих тисків і т. п.).
За способом отримання результатів розрізняють вимірювання прямі і непрямі. У прямих вимірах шукане значення вимірюваної величини виходить шляхом безпосереднього порівняння її з еталоном або видається вимірювальним приладом. При непрямому вимірюванні шукану величину визначають на підставі відомої математичної залежності між цією величиною і іншими величинами, отримуються шляхом прямих вимірювань (наприклад, знаходження питомої електричного опору провідника за його опору, довжиною та площею поперечного перерізу). Непрямі вимірювання широко використовуються в тих випадках, коли шукану величину неможливо або дуже складно виміряти безпосередньо або коли пряме вимір дає менш точний результат.
Технічні можливості вимірювальних приладів значною мірою відображають рівень розвитку науки. З сучасної точки зору, прилади, що використовувалися вченими-природознавцями в XIX столітті і на початку нашого століття, були дуже недосконалі. Тим не менш за допомогою цих приладів ставилися іноді блискучі експерименти, що залишили помітний слід в історії науки, відкривалися і вивчалися важливі закономірності природи. Оцінюючи, наприклад, значення відомих вимірювань швидкості світла, проведених американським фізиком А. Майкельсона, для подальшого розвитку науки, академік СІ. Вавілов писав: «На грунті його експериментальних відкриттів і вимірювань зросла теорія відносності, розвинулася і рафінованої хвильова оптика і спектроскопія і зміцніла теоретична астрофізика».
З прогресом науки просувається вперед і вимірювальна техніка. Поряд з вдосконаленням існуючих вимірювальних приладів, що працюють на основі традиційних, усталених принципів (заміна матеріалів, з яких зроблені деталі приладу, внесення до його конструкції окремих змін і т. д.), відбувається перехід на принципово нові конструкції вимірювальних пристроїв, зумовлені новими теоретичними передумовами . В останньому випадку створюються прилади, в яких знаходять реалізацію нові наукові досягнення. Так, наприклад, розвиток квантової фізики істотно підвищило можливості вимірювань з високим ступенем точності. Використання ефекту Мессбауера дозволяє створити пристрій з роздільною здатністю близько 13% вимірюваної величини.
Добре розвинене вимірювальне приладобудування, різноманітність методів і високі характеристики засобів вимірювання сприяють прогресу в наукових дослідженнях. У свою чергу, рішення наукових проблем, як уже зазначалося вище, часто відкриває нові шляхи вдосконалення самих вимірювань.
Список літератури
1. Декарт Р. Вибрані твори. М., 2003.
2. Назаров І.В. Концепції сучасного природознавства, 2007.
3. Гейзенберг В. Теорія, критика і філософія. М., 2006.
4. Карцев ПЛ. Природознавство. М., 2007.
5. Капіца П.Л. Експеримент, теорія, практика. М., 2003.
6. Макаревічус К. Місце уявного експерименту в пізнанні. М., 2006.