Експеримент - загальнонаукові методи емпіричного пізнання

Експеримент - більш складний метод емпіричного пізнання в порівнянні з наглядом. Він передбачає активне, цілеспрямоване і суворо контрольоване вплив дослідника на досліджуваний об'єкт 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 має ряд важливих, властивих тільки йому особливостей.

По-перше, експеримент дозволяє вивчати об'єкт в «очищеному» вигляді, т. Е. Усувати всякого роду побічні чинники, нашарування, що ускладнюють процес дослідження. Наприклад, проведення деяких експериментів вимагає спеціально обладнаних приміщень, захищених (екранованих) від зовнішніх електромагнітних впливів на досліджуваний об'єкт.

По-друге, в ході експерименту об'єкт може бути поставлений в деякі штучні, зокрема, екстремальні умови, т. Е. Вивчатися при наднизьких температурах, при надзвичайно високому тиску або, навпаки, в вакуумі, при величезних напряженностях електромагнітного поля і т. П . В 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 як би бере явища в свої руки і пускає в хід то одне, то інше і таким чином в 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, важливою перевагою багатьох експериментів є їх відтворюваність. Це означає, що умови експерименту, а відповідно і проводяться при цьому спостереження, вимірювання можуть бути повторені стільки раз, 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 проведення експерименту. 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 і проведення експерименту вимагають дотримання ряду умов. Так, науковий експеримент:

ніколи не ставиться навмання, він передбачає 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 частинок відхилялася і розсіюється, 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, соударяющихся з ядром). Так, дослідний 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 та 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, в квантовій механіці експеримент грає принципово іншу роль.

Але обурює вплив приладу не змінює пізнавальної ролі експерименту в фізиці мікросвіту. Прилади надають рівноваги вплив на досліджуваний об'єкт і в класичній фізиці, що має справу з макрооб'єктами, тільки це їх дію тут дуже мало, і їм можна знехтувати. У сфері ж матеріальної дійсності, що вивчається квантовою механікою, прилад надає на частку набагато більш суттєве обурює вплив, яким знехтувати не можна. Однак цей вплив не означає, що властивості мікрочастинок матерії породжуються приладом з волі експериментатора (скоріш за все деяким фізикам). Необхідно відзначити також, що виводить із рівноваги вплив стосується тільки кількісної сторони мікрочастинки - величини енергії, імпульсу, її просторової локалізації. Якісна ж специфіка мікрочастинок не зазнавав при обуренні ніяких змін: електрон залишається електроном, протон - протоном і т. Д.

Виходячи з методики проведення та отриманих 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 чинників 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.

В кінці XIX століття, наприклад, два видних учених 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 природничо-наукові. 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 в 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 все 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 в галузі прикладних наук. Але лише через три десятиліття ця робота Фішера знайшла практичне застосування. У 1951 році Бокс та Уїлсон розробили метод, за яким дослідник повинен ставити послідовні невеликі серії дослідів, варіюючи в кожній з цих серії за певними правилами всі фактори. Причому організовуються 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 привели до появи нової дисципліни - математичної теорії експерименту. Ця теорія спрямована на вирішення завдання отримання достовірного результату експериментального дослідження з мінімальними витратами праці, часу і коштів. В 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 ».