Взаимосвязь теории и эксперимента

Введение.

Развитие общества в значительной степени определяется уровнем наукоемких технологий, многочисленные направления которых основаны на достижениях соответствующих отраслей естествознания. Современное естествознание обладает большим многообразием методов исследований, среди которых эксперимент — наиболее эффективное и действенное средство познания.

Теория и эксперимент - они взаимосвязаны, одно без другого остается неплодотворным. К ним можно с полным правом отнести известные слова Канта и сказать: теория без эксперимента пуста, эксперимент без теории слеп. Поэтому и теория, и эксперимент в равной мере настоятельно требуют подобающего им внимания.

Наблюдение, измерение и  эксперимент – неразрывно связанные  методы эмпирического познания.

Наблюдение лежит в  основе всех других эмпирических методов  познания, являясь наиболее элементарным из них. И измерение, и эксперимент  включают в себя наблюдение, но последнее  может быть осуществлено и без  первых. В науке наблюдение используется для получения эмпирической информации относительно исследуемой области, но главным образом — для проверки и обоснования истинности эмпирических суждений. Измерение — новая ступень в развитии эмпирического познания. Переход от наблюдения к измерению требует новых понятии и предположении.

Взаимосвязь теории и эксперимента.

Развитие теории и эксперимента может довольно долго осуществляться относительно независимо друг от друга, причем в этом развитии, как показывает реальная практика научно-исследовательской  работы, лидерство поочередно может  принадлежать как теории, так и  эксперименту.

Взаимодействие теории и эксперимента в качестве двух различных структурно - функциональных компонентов системы научного познания моделируется в виде информационного обмена между ними, где каждая из сторон попеременно выступает в роли либо приемника, либо источника информации.

Такая модель ориентирует на "симметричный" подход к теории и эксперименту в  системе современного научного познания, где они часто находятся в  своеобразном "параллельно - дополнительном" отношении друг к другу. Возможность подобного "параллельного движения" теории и эксперимента обеспечивается возникновением в этой системе дополнительного уровня.

И одна из особенностей системы современного научного познания в отличие от системы  классического естествознания заключается  в наличии в нем арсенала средств  совмещения контекстов теории и эксперимента, благодаря которому те проблемы, которые  появляются на горизонте теории, могут  быть переведены в форму проблем, стоящих перед экспериментом.

На теоретическом горизонте  научные проблемы обычно появляются в форме логического противоречия "встречи" ранее развивавшихся  независимо друг от друга теорий.

Наблюдение, измерение и лабораторный эксперимент в естествознании.

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.

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 Браге с непревзойденной для невооруженного глаза точностью, явились эмпирической основой для открытия Кеплером его знаменитых законов.

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.

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.

Для получения  каких-то выводов об исследуемом  явлении, для обнаружения чего-то существенного в нем зачастую требуется проведение весьма большого количества наблюдений.

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.

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.

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.

Результат измерения  получается в виде некоторого числа единиц измерения. Единица измерения — это эталон, с которым сравнивается измеряемая сторона объекта или явления. 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).

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. 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 революции 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. В свою очередь, решение научных проблем, как уже отмечалось выше, часто открывает новые пути совершенствования самих измерений.

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 в 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».

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.

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.

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.

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.

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.

После 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».

Реальные  и мысленные эксперименты.

Мысленный эксперимент  предполагает оперирование идеализированным объектом (замещающим в абстракции объект реальный), которое заключается в мысленном подборе тех или иных положений, ситуаций, позволяющих обнаружить какие-то важные особенности исследуемого объекта.

В этом проявляется  определенное сходство мысленного (идеализированного) эксперимента с реальным. Более того, всякий реальный эксперимент, прежде чем быть осуществленным на практике, сначала «проигрывается» исследователем мысленно в процессе обдумывания, планирования. В этом случае мысленный эксперимент выступает в роли предварительного идеального плана реального эксперимента.

Вместе с тем  мысленный эксперимент играет и  самостоятельную роль в науке. При этом, сохраняя сходство с реальным экспериментом, он в то же время существенно отличается от него.

Эти отличия заключаются  в следующем.

Реальный  эксперимент — это метод, связанный с практическим, предметно - манипулятивным, «орудийным» познанием окружающего мира. В мысленном же эксперименте исследователь оперирует не материальными объектами, а их идеализированными образами, и само оперирование производится в его сознании, т. е. чисто умозрительно.

Возможность постановки реального эксперимента определяется наличием соответствующего материально-технического (а иногда и финансового) обеспечения. Мысленный эксперимент такого обеспечения не требует.

В реальном эксперименте приходится считаться с реальными физическими и иными ограничениями его проведения, с невозможностью в ряде случаев устранить мешающие ходу эксперимента воздействия извне, с искажением в силу указанных причин получаемых результатов. В этом плане мысленный эксперимент имеет явное преимущество перед экспериментом реальным.

В мысленном эксперименте можно абстрагироваться от действия нежелательных факторов, проведя его в идеализированном, «чистом» виде.

В научном познании могут быть случаи, когда при исследовании некоторых явлений, ситуаций проведение реальных экспериментов оказывается вообще невозможным.

Этот пробел в  познании может восполнить только мысленный эксперимент.

Научная деятельность Галилея, Ньютона, Максвелла, Карно, Эйнштейна и других ученых, заложивших основы современного естествознания, свидетельствует о существенной роли мысленного эксперимента в формировании теоретических идей. История развития физики богата фактами использования мысленных экспериментов. Примером могут служить мысленные эксперименты Галилея, приведшие к открытию закона инерции.

Реальные эксперименты, в которых невозможно устранить фактор трения, казалось бы, подтверждали господствовавшую в течение тысячелетий концепцию Аристотеля, утверждавшую, что движущееся тело останавливается, если толкающая его сила прекращает свое действие. Такое утверждение основывалось на простой констатации фактов, наблюдаемых в реальных экспериментах (шар или тележка, получившие силовое воздействие, а затем катящиеся уже без него по горизонтальной поверхности, неизбежно замедляли свое движение и в конце концов останавливались). В этих экспериментах наблюдать равномерное не прекращающееся движение по инерции было невозможно.

Заключение.

Как видно, эксперимент действительно  является важнейшим методом познания окружающего нас мира, что позволяет называть его основой естественно - научного 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 естественно - научного познания, а следовательно и его огромная значимость.

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.

Список использованной литературы.

1. С.И. Самыгина., Концепции    современного    естествознания, 4-е изд., перераб. и доп. — Ростов н/Д: «Феникс», 2003.
2. Кокин А. В., Концепции современного естествознания, М., 1998
3. Карпенков С. Х., Концепции современного естествознания, М., 1998
4. Торосян В.Г. Концепции современного естествознания: учебное пособие. - М.: Высшая школа, 2001.
5. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. - М., 2004.
6. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. - М., 2000