Эксперимент

Методы научного исследования

ученый уже нечто знает о предполагаемом ответе. Благодаря чему эксперимент становится средством получения нового знания? Для ответа на этот вопрос необходимо понять логику и условия перехода от прежнего знания к открытию, к новому научному утверждению. Чтобы превратить эксперимент в познавательное средство, необходимы операции, позволяющие перевести логику вещей в логику понятий, материальную зависимость в логическую. Для этого нужно располагать следующим рядом: 1) принципами теории и логически выводимыми из них следствиями; 2) идеализированной картиной поведения объектов; 3) практическим отождествлением (в заданном интервале абстракции) идеализированной модели с некоторой материальной конструкцией. Существуют два типа экспериментальных задач: 1) исследовательский эксперимент, который связан с поиском неизвестных зависимостей между несколькими параметрами объекта, и 2) проверочный эксперимент, который применяется в случаях, когда требуется подтвердить или опровергнуть те или иные следствия теории.

Рассмотрим следующий пример из истории физики. В 70-х гг. XVIII в. английский физик Кавендиш проделал интересный опыт с целью определения элементарного закона, характеризующего силы взаимодействия между электрическими зарядами.

Из этого опыта Кавендиш сделал следующий вывод: электрическое притяжение и отталкивание должны быть обратно пропорциональны квадрату расстояния. Для человека, не являющегося специалистом в области физики и математики, такой вывод будет пол-

4 Спасский Б.И. История физики. Ч. 1. М, 1963. С. 192.

lt;

ной неожиданностью. Очень трудно установить непосредственно какую-нибудь связь между техническими условиями эксперимента и утверждением о законе взаимодействия между электрическими зарядами. Что же позволило сформулировать это утверждение как следствие данного опыта? Кавендиш воспользовался следующим теоретическим представлением. Если полагать, что электрические силы обратно пропорциональны некоторой степени расстояния, то только в том случае весь заряд собирается на внешней сфере, когда эта степень равна 2. Без знания последней «теоремы» мы не смогли бы сделать экспериментальный вывод, принадлежащий Кавендишу.

Этот пример показывает, что получение экспериментального вывода (нового знания) и, следовательно, реализация познавательной функции эксперимента не является простой задачей, что вывод не вытекает непосредственно из опыта. Он свидетельствует о том, что только при определенных предпосылках и условиях исследователь может получить истинное утверждение, наблюдая организованное им материальное взаимодействие. Раскрытие характера этих предпосылок и условий в их взаимоотношении с материальным взаимодействием и есть та задача, решение которой может сделать для нас ясным ответ на вопрос: почему эксперимент есть средство получения нового знания?

Всякому эксперименту предшествует подготовительная стадия.

крайней мере, в рамках более или менее сложившейся науки. Это, разумеется, не исключает из рамок эксперимента процедуру наблюдения, которое дает нам тот материал, значение и смысл которого мы можем «расшифровать», опираясь на предшествующую деятельность, на уже имеющееся у нас знание. Особенно наглядно эта зависимость понимания эксперимента от уже имеющегося у нас знания выступает в современной физике. «Именно поэтому человек, не знакомый с атомной физикой, не может получить никакого опытного знания о микромире, если очутится в лаборатории уче- ного-физика. Он заметит щелканье счетчиков, вспышки на экранах, вычерченные кривые на бумаге и пр., но эти наблюдения будут для него совершенно пустым и ничего не значащим материалом. В силу этого несведущему в физике человеку никогда не будут доступны микрообъекты, их свойства, закономерности движения. Для него наблюдаемое не может служить материалом и источником познания сущности явлений»5.

Всякая попытка отделить эксперимент от теоретических знаний делает невозможным понимание его природы, познавательной сущности. Она перечеркивает по существу всю ту целесообразную деятельность, которая предшествует эксперименту и результатом которой он является. Вне ее эксперимент есть обычное материальное взаимодействие, взаимодействие, в принципе не отличающееся от тех, которые совершаются на наших глазах повсеместно, ежеминутно.

Что же побуждает ученого прибегнуть для решения некоторой познавательной задачи к особым образом организованному материальному взаимодействию, называемому экспериментом?

Типы экспериментальных вопросов можно в известном смысле разделить на два рода. Одни из них

5 Кузъминов ГЛ. Чувственное и логическое в познании микро- мира. М.: Мысль, 1965.

побуждают ученого к решению задачи нахождения зависимостей между рядом параметров объекта, причем предварительно невозможно сформулировать с надлежащей точностью их характер. Иногда можно с большой степенью уверенности перечислить все логически возможные варианты этих зависимостей и, следовательно, выразить их в системе утверждений, каждое из которых может быть проверено. Все возможности, строго говоря, в этом случае равновероятны. Исходя из чисто теоретических соображений, ученый не имеет оснований предпочесть какую-либо одну из них. Это не меняет в принципе поискового характера эксперимента, того обстоятельства, что с его помощью требуется найти зависимость, характерную для объекта исследования и никаким образом не вытекающую из уже имеющегося знания. Такой тип эксперимента называется исследовательским.

Другой тип экспериментального исследования связан с проверкой уже полученного научного утверждения. В связи с этим в эксперименте ставится задача — проверка того целостного теоретического построения, из которого было выведено данное утверждение.

Постольку поскольку перед ученым стоит задача проверки теории, он нуждается в целой серии экспериментов, проверяющих ее различные логические следствия. В отдельном эксперименте утверждение или его отрицание может получить не теория, а лишь отдельное ее следствие. Эксперимент, задачей которого является подтверждение истинности отдельного научного утверждения, сформулированного в рамках теории, называется проверочным.

Различие между проверочным и исследовательским экспериментом достаточно ясно проявляется уже на стадии их планирования. В одном случае мы отыскиваем зависимость тех или иных параметров объекта, предварительно не зная ее характера. Это свидетельство того, что мы не располагаем теорией данной предметной области и наши знания носят преимущественно эмпирический характер. Представляется очень трудной на этой ступени оценка тех или иных найденных зависимостей в качестве существенных или вто-

постепенных для понимания сущности объектов изучения. Когда же мы заняты экспериментальным подтверждением истинности некоторых научных утверждений (следствий принятой нами теории), дело обстоит иначе. Наши эксперименты менее хаотичны, мы имеем точную программу исследования. Планирование эксперимента опирается в этом случае прежде всего на знание о предполагаемых сущностных связях объекта. В этих условиях та или иная зависимость между фиксируемыми параметрами приобретает глубокий смысл и, следовательно, ее экспериментальное изучение становится более плодотворным. Если контуры вопроса в исследовательском эксперименте носят в значительной степени расплывчатый, общий характер, то в проверочном они имеют четкую, определенную форму.

Постановка проверочного эксперимента предполагает наличие некоторых теоретических принципов, характеризующих сущностные отношения изучаемой предметной области. На основе этих принципов, пользуясь логикой и математикой, мы можем нарисовать в самых различных проявлениях картину воображаемого поведения объектов нашего исследования. При этом мы выходим за рамки абстрактно-логическо- го образа и представляем эти картины в предметно- чувственных формах. Подобное «чувственное» представление обеднено, схематично, но именно это и есть проявление заключающейся в нем научной ценности.

Например, Галилей дает определение особому виду движения — равномерно ускоренному. Это определение позволяет вывести ряд следствий, характеризующих движение. Не ставя перед собой задачу детального описания всех следствий, полученных им, и обоснования правомерности этого выведения, укажем на одно из них: пути, проходимые равномерно ускоренными телами, пропорциональны квадратам времен, и, следовательно, «если от начала движения взять последовательно одинаковые промежутки времени, то пространства, пройденные до конечных моментов этих промежутков, будут относиться между собой как квадраты НАтурального ряда чисел.

вательные равные промежутки времени, относятся между собой, как ряд нечетных чисел»6.

До тех пор, пока мы принимаем концепцию равно- мерно-ускоренного движения как некоторое умственное построение, мы не испытываем потребностей в ее проверке. Мы озабочены тем, чтобы вывод следствий в ней был логически безупречен. Но Галилей не видит лишь в этом смысл деятельности ученого. «Хотя, конечно, совершенно допустимо представлять себе любой вид движения и изучать связанные с ним явления (так, например, можно определять основные свойства винтовых линий или конхоид, представив их себе возникающими в результате некоторых движений, которые в действительности в природе не встречаются, но могут соответствовать предположенным условиям), мы тем не менее решили рассматривать только те явления, которые действительно имеют место в природе при свободном падении тел, и даем определение ускоренного движения, совпадающего со случаем естественно ускоряющегося движения. Такое решение, принятое после долгих размышлений, кажется нам наилучшим и основывается преимущественно на том, что результаты опытов, воспринимаемые нашими чувствами, вполне соответствуют разъяснениям явлений»7.

Теперь обратимся к тем общим приемам сопоставления научного утверждения и действительности, к которому фактически прибегает Галилей, а вместе с ним и любой другой исследователь природы, имеющий дело с проверочным экспериментом (так как главное для нас — теоретико-познавательный план работы экспериментатора, то мы (для простоты дела) не будем точно следовать за технической формой опытов Галилея, сохраняя в то же время их принципиальное содержание.).

Перед Галилеем налицо готовая — чувственная картина поведения тел. Представим себе тело, падающее свободно вдоль некоторой пространственно градуированной шкалы. При этом мы располагаем возмож-

6 Розенберг Ф. История физики. Ч. П. М-Л., ОНТИ, 1937. С. 26. 1411 ' Галилей Г. Сочинения. Т. I. М.-Л.. ГТГИ, 1934. С. 291-292.

ностью сопоставлять пройденный временный интервал пространственному, например, таким образом, что прохождение границы выделенного пространственного интервала вызывает остановку сопоставленного этому интервалу хронометра. В этом случае, сравнивая показания хронометра и величины пройденных пространственных интервалов, мы можем получить только те соотношения, которые логически выведены выше, так как наша «чувственная» картина строится на основе уже полученного вывода. Поведение воображаемых тел в ней «несамостоятельно», оно детерминировано теми логическими соотношениями, с помощью которых воссоздается сама картина.

Вслед за стадией логического развития принятых за основу принципов движения наступает, таким образом, стадия придания нашим представлениям предметной, чувственной формы. Осуществляя построение этих мысленных картин, мы тем самым придаем смысл, значение соотношению чувственных элементов, присущих им, так как логика, абстракция в данном случае предшествует самой чувственной картине и есть основание для придания ей специфической формы (выбор тел, условий, ситуаций, исходные результаты). Любой мысленный элемент так или иначе реализуется в «чувственном» представлении. Сам процесс осуществления эксперимента есть определенный переход мысли в «предметность», «чувственность» Это необычное, идеализированное представление. Следующим шагом является переход к проверке мысленного образа. Мы должны получить ответ на вопрос: таково ли то движение, которое мы получаем в случае реального свободного падения?

Для проверки необходимо осуществить следующую операцию: на место идеализированной картины мы должны поставить реальные, индивидуальные тела природы, испытывая при этом некоторые ограничения. Наша идеализированная картина предполагает, что Можно фиксировать абсолютно точно временный интервал, затраченный на прохождение некоторых пространственных интервалов, что тело при своем движении испытывает только действие одной силы и т. д. 14

Теоретико-познавательный смысл технической реализации эксперимента заключается в том, чтобы воспроизвести интервальную ситуацию, т. е. мы должны подобрать такие тела природы и такие условия, которые были бы достаточно близки в пределах нужного интервала абстракции к постулируемым нами. Иными словами, мы должны воссоздать близкую, почти эквивалентную нашей идеализированной картине экспериментальную ситуацию. В рамках решения этой задачи индивидуальные, особенные свойства реальных тел, подобранных для эксперимента, приобретают особый характер. Они фактически выступают не просто как индивидуальные, особенные и т. д., но в качестве форм, реализующих в себе общее, «идеализированное», поскольку они его реальные «эквиваленты» для данной познавательной ситуации, для выявляемой в более или менее чистом виде системы зависимостей.

Предположим, что в исследовании законов свободного падения тел осуществлена такая техническая форма эксперимента, которая соответствует выработанной идеализированной схеме. Осуществим опыт, сопоставим величины пространственных и временных интервалов, выраженных в числах, и, например, обнаружим, что соотношения их не совпадают с теоретическими. В чем дело? Здесь возможны две причины. Либо наша концепция неправильна, либо мы имеем дело с неудачной технической постановкой эксперимента (существует расхождение между нашей картиной и ее материальным воплощением, т. е. наша экспериментальная ситуация не соответствует требованиям гносеологической фокусировки). Для простоты дела предположим, что не удалена воздушная среда, оказывающая сопротивление падающему телу, или не внесена поправка, учитывающая сопротивление воздуха. В случае отрицательного исхода испытания экспериментатор прежде всего должен убедиться в том, что элементы материальной конструкции были достаточно близки идеализированной ситуации. Если этого не сделано, то эксперимент утрачивает свою познавательную ценность. В самом деле, мы располагаем следующим рядом: 1) принципы и логически выводимые из

них следствия; 2) идеализированная «предметно-чувственная» картина поведения объектов, эквивалентная логическому построению; 3) практически тождественная идеализированной картине материальная конструкция. Чувственные восприятия последнего звена могут быть переведены на абстрактный язык науки, постольку поскольку им соответствуют чувственные элементы идеализированной картины, физический смысл которой предварительно установлен. Если эти два последних звена не эквивалентны, то мы не имеем права читать ответы природы так, как это было бы возможно в случае их эквивалентности.

Обратим внимание еще на один очень важный момент. В рамках нашей идеализированной схемы соотношения абсолютны, иначе выражаясь, некоторому параметру, например «измеренному» пространственному интервалу соответствует одно и только одно число. Но реальные измерения реальной ситуации в самом эксперименте предполагают, во-первых, предел точности измерения, во-вторых, его неизбежные ошибки. Если эти отклонения невелики от теоретически предсказанных значений, то мы признаем истинность нашей концепции. Поэтому, говоря об истинности, например, физических теорий, указывают на то, что эта истинность установлена лишь для данной точности измерения и может квалифицироваться как достаточная, если берется лишь в рамках данного интервала

абстракции.

Подведем некоторый итог. Экспериментальный вопрос, решаемый посредством проверочного эксперимента, рождается в недрах теории. Разнообразные идеализированные картины, которые мы можем осуществить в нашем уме на основе того или иного теоретического построения, лежат в основе замысла и планирования эксперимента. Построение таких идеализированных схем и есть теоретико-познавательный аспект этих операций. Следующий шаг связан с технической реализацией замысла и предполагает материальную деятельность человека (конструирование Приборов, изоляция объектов изучения, создание искусственной, контролируемой среды и Т. Д.). Теорети-

ко-познавательныи смысл этой стадии заключается в том/что мы воссоздаем по возможности близкий, адекватный материальный двойник нашей идеализированной схемы. Затем следует измерение и интерпретация эксперимента. Если налицо совпадение, то в тех случаях, когда мы не располагаем средствами измерения, приходится ограничиваться этим принципиальным, качественным сходством. Науки, достигшие высокого уровня развития, могут сопоставить предсказание с полученным результатом не только принципиально качественно, но и по степени этого качественного совпадения. Возможность произвести проверку не только в общем, но и по степени приближения и есть возможность измерения. Последняя ступень — интерпретация в общих своих чертах предопределена предыдущими операциями. Положительный результат означает не только подтверждение одного из следствий теории, но и принятие системы интерпретации. Отрицательный результат эксперимента побуждает отклонить теорию вместе с принципами интерпретации и записать результаты эксперимента таким образом, чтобы по возможности было ясно, что (в технической форме) было сделано и какой результат материального взаимодействия был чувственно зафиксирован. Большое место в таком описании может занимать обыденный язык, используемый на уровне наблюдения.

Теперь мы обратимся к краткому рассмотрению теоретико- познавательного плана исследовательского эксперимента. Уже говорилось, что исследовательскому эксперименту не предшествует развитая в логическом отношении теория, из которой можно получить известное число следствий, могущих быть экспериментально проверенными. Это никоим образом не означает, что мы не располагаем догадками в отношении исхода эксперимента, построенными на аналогии или опирающимися на первичное обобщение соответствующих фактов. В этих условиях мы заняты не проверкой целостной системы научных утверждений, но созданием условий, позволяющих построить эту систему. Преобладание экспериментов этого типа свойственно как раз тому этапу в развитии научной

дисциплины, когда в ней отсутствуют еще достаточно фундаментальные.и широкие теоретические обобщения, принципы и т. д. На этой стадии необходим сбор сравнительно сырого эмпирического материала. Обладая известной системой понятий, утверждений, исследователь не может на их основе сформулировать отношения, которые им отвечают. Постановка экспериментального вопроса и есть выражение этой трудности. При этом нужно заметить следующее обстоятельство. Мы отлично знаем, что эксперимент — средство познания, средство проверки его истинности, либо способ его формирования. Иначе говоря, он оказывает регулирующее действие на сферу нашего знания и, таким образом, есть средство проверки и выражения не законов природы, а нашего знания об этих законах.

Материальному взаимодействию для того, чтобы оно выполнило роль эксперимента, необходимо придать такую форму, чтобы с его помощью можно было либо проверить истинность некоторого научного утверждения, либо сформулировать некоторое новое. Мы уже вкратце рассмотрели, что необходимо сделать для того, чтобы научное утверждение было проверено. Теперь наша задача заключается в том, чтобы установить характер тех познавательных действий, с помощью которых некоторое материальное взаимодействие поможет нам сформулировать новое утверждение. В ходе эксперимента, таким образом, не устанавливается связь между объективными свойствами объектов, а формулируется суждение, отображающее эту связь более или менее адекватно.

Рассмотрим теоретико-познавательный аспект деятельности исследователя в этом случае. Вместе с понятиями, которыми располагает исследователь, ему даны условия для построения идеализированной, четкой «предметно-чувственной» формы исследуемой ситуации. В отличие от аналогичной схемы в проверочном эксперименте она неполна. Мы не можем в ее рамках •осуществить мысленный эксперимент до конца, так как Не обладаем знанием о характере связи интересующих НЛс параметров. Именно эта задача должна быть реше- На непосредственным обращением к опыту.

Заметим, что наша идеализация касается вообще не внутренней структуры изучаемой системы, но ее внешних проявлений. Четкий, фиксированный характер внешних проявлений может быть обнаружен и выражен через посредство тех материальных систем, с которыми взаимодействует пробный объект. И это — измерительные приборы.

Совершенно ясно, что использование в качестве таких систем тел природы, принципы функционирования которых нам неизвестны, немыслимо. Теория приборов, следовательно, и есть основание для идеализации, лежащей в основе исследовательского эксперимента. Именно это обстоятельство хорошо поясняет тот факт, что в молодых, еще эмпирических по преимуществу дисциплинах, важное место принадлежит теории приборов, используемых ими.

Завоевание новой территории наукой начинается, таким образом, с использования в познавательных целях уже освоенных областей знания, с придания им такой «формы» и «вида» (конструирование приборов, экспериментальных установок), чтобы через их посредство выразить закономерности новых объектов сначала на «языке» поведения приборов, то есть внешним образом, а уже затем перейти к раскрытию их внутренних, сущностных зависимостей.

Как правило, исследовательский эксперимент представляет собой серию измерений, результаты которых мы можем свести в некоторую таблицу. Для того, чтобы характер зафиксированной зависимости имел более ясную и определенную форму, его можно выразить в виде графика или посредством той или иной функции. Последние приемы обработки данных наблюдения дают возможность предсказать результаты еще неосуществленных измерений. Если подобная математическая модель зависимости с хорошим приближением отражает ее характер, то налицо совпадения (в известных пределах точности) предсказаний на основе этой модели и осуществленных измерений. Сформулированные в более или менее обобщенной форме, подобные зависимости носят название эмпирических законов. Последующая теоретическая деятельность

связана с выдвижением таких основных принципов, отражающих существенные закономерности объектов нашего исследования, из которых можно было бы с помощью логики вывести полученные эмпирические законы. В сопоставлении логических следствий теории и соответствующих эмпирических законов в неявной форме выступает сопоставление предсказания и реальности, и исследовательский эксперимент как бы задним числом выполняет функцию проверочного.

Таковы вкратце теоретико-познавательные функции исследовательского и проверочного экспериментов.