Концепції сучасного природознавства - Карпов Я. С. - 1.2.2 Експеримент

Експеримент — більш складний метод емпіричного пізнання порівняно зі спостереженням. Він передбачає активний, цілеспрямований і строго контрольований вплив дослідника на досліджуваний об'єкт з метою виявлення й вивчення тих чи інших його сторін, властивостей, зв'язків. При цьому експериментатор може змінювати досліджуваний об'єкт, створювати штучні умови для його вивчення, втручатися в природний перебіг процесів.

Складовими частинами експерименту є також інші методи емпіричного дослідження (спостереження, вимірювання). У той же час він має важливі, властиві тільки йому особливості.

По-перше, експеримент дозволяє вивчати об'єкт в "очищеному" вигляді, тобто можна усунути різні побічні чинники, нашарування, які ускладнюють процес дослідження. Наприклад, проведення деяких експериментів неможливе без спеціально обладнаних приміщень, захищених (екранованих) від зовнішніх електромагнітних впливів на досліджуваний об'єкт.

По-друге, у ході експерименту об'єкт може перебувати в штучних, певною мірою, зокрема екстремальних умовах, тобто вивчатися при наднизьких температурах, при надзвичайно високих тисках або, навпаки, у вакуумі, у середовищі з величезною напруженістю електромагнітного поля й т.п. За таких штучно створених умов вдається виявити дивні, часом несподівані властивості об'єктів і тим самим глибше осягнути їхню сутність. У цьому аспекті дуже цікавими й перспективними є космічні експерименти, які дозволяють вивчати об'єкти, явища в таких особливих, незвичайних умовах (невагомість, глибокий вакуум), які неможливо створити в земних лабораторіях.

По-третє, вивчаючи який-небудь процес, експериментатор може втручатися в нього, активно впливати на його перебіг. Як зазначав академік І. П. Павлов, "досвід неначе бере явища у свої руки й вдається то до одного, то до іншого, й у такий спосіб у штучних, спрощених комбінаціях виявляє справжній зв'язок між явищами. Інакше кажучи, спостереження збирає те, що йому пропонує природа, досвід же бере від природи те, що хоче".

По-четверте, важливою перевагою багатьох експериментів є їх відтворюваність. Це означає, що умови експерименту, а відповідно й проведені при цьому спостереження, вимірювання можна відтворити стільки разів, скільки це необхідно для одержання 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, у тому числі А. Ф. Йоффе, поставилися до них скептично. Тоді Шенкланд вирішив повторити свої експерименти. Намагаючись відтворити свої колишні результати, він знайшов помилку в методиці експериментування. Виявилося, що за умови правильної постановки експерименту закон збереження енергії справджується й у зазначеному елементарному акті зіткнення. Так завдяки відтворюваності експериментальних досліджень другий експеримент Шенкланда спростував перший.

Підготовка й проведення експерименту вимагають дотримання ряду умов. Так, науковий експеримент:

· ніколи не ставиться навмання, а передбачає наявність чітко сформульованої мети дослідження;

· не проводиться "наосліп", завжди базується на якихось вихідних теоретичних положеннях;

· не здійснюється безпланово, хаотично; попередньо дослідник складає план його проведення;

· вимагає певного, необхідного для його реалізації, рівня розвитку технічних засобів пізнання;

· повинен проводитися людьми, які мають досить високу кваліфікацію.

Тільки сукупність усіх цих умов визначає успіх експериментальних досліджень.

Залежно від характеру проблем, які розв'язуються в ході експериментів, останні, звичайно, поділяються на дослідницькі й перевірні.

Дослідницькі експерименти дають можливість виявити в об'єкті нові, невідомі властивості. Результатом таких експериментів можуть бути висновки, що не випливають з попередніх знань про об'єкт дослідження. Прикладом можуть бути експерименти, поставлені в лабораторії Е. Резерфорда, у ході яких було виявлено дивну поведінку альфа-частинок, коли вони бомбардували золоту фольгу: більшість частинок проходила крізь фольгу, незначна кількість частинок відхилялася й розсіювалася, а деякі частинки не просто відхилялися, а відскакували назад, як м'яч від сітки. Така експериментальна картина відповідно до розрахунків пояснювалася тим, що практично вся маса атома зосереджена в ядрі, яке займає незначну частину його об'єму (відскакували назад альфа-частинки, які зазнавали зіткнення з ядром). Так дослідницький експеримент, проведений Резерфордом і його співробітниками, дав можливість виявити ядро атома й тим самим започаткувати народження ядерної фізики.

Перевірні експерименти важливі для перевірки, підтвердження тих чи інших теоретичних побудов. Так, існування цілого ряду елементарних частинок (позитрона, нейтрино й ін.) було спочатку передбачено теоретично, і лише пізніше вони були виявлені експериментальним шляхом.

Проникнення людського пізнання в мікросвіт потребувало проведення експериментальних досліджень, в яких не можна було знехтувати впливом прилада на об'єкт (точніше сказати, мікрооб'єкт) пізнання. Через цю обставину деякі фізики зробили висновок, що, на відміну від класичної механіки, у квантовій механіці експеримент відіграє принципово іншу роль.

Але збурне діяння прилада не може применшити пізнавальної ролі експерименту у фізиці мікросвіту. Прилади чинять збурне діяння на об'єкт дослідження і в класичній фізиці, що має справу з макрооб'єктами; тільки ця їхня дія тут дуже незначна й нею можна знехтувати. У сфері ж матеріальної дійсності, яку досліджує квантова механіка, прилад чинить на частинку набагато істотніше збурне діяння, яке не можна залишити поза увагою. Однак цей вплив не означає, що прилад породжує властивості мікрочастинок матерії з волі експериментатора (як стверджували деякі фізики). Необхідно також зазначити, що збурне діяння стосується тільки кількісного боку властивостей мікрочастинки — величини енергії, імпульсу, її просторової локалізації. Якісна ж специфіка мікрочастинок не зазнає в результаті збудження ніяких змін: електрон залишається електроном, протон — протоном і т.д.

Беручи до уваги методику проведення й одержані результати, експерименти можна розділити на якісні й кількісні. Якісні експерименти мають пошуковий характер і не дають можливості одержати якісь кількісні співвідношення. Вони дозволяють лише виявити дію тих чи інших чинників на досліджуване явище. Кількісні експерименти спрямовані на встановлення точних кількісних залежностей у досліджуваному явищі. У реальній практиці експериментального дослідження обидва зазначених типи експериментів реалізуються, як правило, у вигляді послідовних етапів розвитку пізнання.

Як відомо, зв'язок між електричними й магнітними явищами вперше встановив датський фізик Ерстед у результаті виключно якісного експерименту. Помістивши магнітну стрілку компаса поряд із провідником, через який проходив електричний струм, він виявив, що стрілка відхиляється від початкового положення. Після того, як

Ерстед опублікував своє відкриття, кількісні експерименти провели французькі вчені Біо та Савар, а також Ампер. їхні експерименти стали підставою для виведення відповідної математичної формули. Усі ці якісні й кількісні емпіричні дослідження було покладено в основу вчення про електромагнетизм.

Залежно від галузі наукового знання, де застосовується експериментальний метод дослідження, розрізняють природничо-науковий, прикладний (у технічних науках, у сільськогосподарській науці й т.д.) і соціально-економічний експерименти. •

Завершуючи огляд експериментального методу дослідження, слід звернути увагу на ще одну дуже важливу проблему — планування експерименту. До першої половині 20 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 настійно вимагав дослідження процесів, які залежать від великої кількості мінливих чинників. Використання в цьому випадку методики однофакторного експерименту не мало сенсу, оскільки вимагало проведення астрономічної кількості дослідів.

На початку 20-х років XX століття англійський статистик Р. Фішер уперше розробив і довів доцільність методу одночасного варіювання всіх чинників, які впливають на результати експериментальних досліджень у сфері прикладних наук. Але лише через три десятиліття ця робота Фішера знайшла практичне застосування. У 1951 році Бокс та Уїлсон розробили метод, згідно з яким дослідник повинен проводити невеликі послідовні серії дослідів, варіюючи в кожній із цих серій за певними правилами всі фактори. Причому здійснюються зазначені серії таким чином, щоб після математичної обробки попередньої серії можна було вибрати (спланувати) умови проведення наступного етапу, що в кінцевому підсумку дозволить визначити область оптимуму.

Після зазначеної роботи Бокса та Уїлсона з'явився ще цілий ряд робіт на цю ж тему, у яких пропонувалися й інші методики. Досягнуті успіхи в теоретичній розробці й практичному застосуванні планування експерименту в наукових дослідженнях привели до появи нової дисципліни — математичної теорії експерименту. Ця теорія спрямована на одержання достовірного результату експериментального дослідження з мінімальними затратами праці, часу й засобів. У підсумку — оптимізація роботи експериментатора й водночас висока якість експериментальних досліджень. А "висока якість експерименту, як підкреслював академік П. Л. Капіца, є необхідною умовою здорового розвитку науки".