Георгий Рузавин - Методология научного познания [Учебное пособие для вузов]

Примечательно, что для обоснования принципа инерции Галилеем впервые был использован мысленный эксперимент, который в дальнейшем нашел широкое применение в качестве эвристического средства исследования в разных отраслях современного естествознания. Суть его заключается в анализе последовательности реальных наблюдений и в переходе от них к некоторой предельной ситуации, в которой мысленно исключается действие определенных сил или факторов. Например, при наблюдении механического движения можно постепенно уменьшать действие на тело разнообразных сил — трения, сопротивления воздуха и т. п. — и убедиться в том, что путь проходимый телом, будет соответственно увеличиваться. В пределе можно исключить все подобные силы и придти к заключению, что тело в таких идеальных условиях будет неограниченно двигаться равномерно и прямолинейно или оставаться в покое.

Наибольшие достижения Галилея связаны, однако, с постановкой реальных экспериментов и математической обработкой их результатов. Выдающихся результатов он достиг при экспериментальном исследовании свободного падения тел. В своей замечательной книге «Беседы и математические доказательства…» Галилей подробно описывает, как пришел к своему открытию закона постоянства ускорения свободно падающих тел. Вначале он, как и его предшественники — Леонардо да Винчи, Бенедетти и др., полагал, что скорость падения тела пропорциональна пройденному пути. Однако впоследствии Галилей отказался от этого предположения, так как оно приводит к следствиям, которые не подтверждаются на опыте [30] Галилей Г. Избранные произведения: В 2 т. Т. 1. — М.: Наука, 1964. — С. 241–242. . Поэтому он решил проверить другую гипотезу: скорость свободно падающего тела пропорциональна времени падения. Из нее вытекало следствие, что путь, пройденный телом, пропорционален половине квадрата времени падения, которое подтвердилось в специально построенном эксперименте. Поскольку в тот период существовали серьезные трудности с измерением времени, то Галилей решил замедлить процесс падения. Для этого он скатывал по наклонному желобу с хорошо отполированными стенками бронзовый шар. Измеряя время прохождения шаром различных отрезков пути, он смог убедиться в правильности своего предположения о постоянстве ускорения свободно падающих тел [31] См.: Липсон Г. Великие эксперименты в физике. — М., 1972. — С. 12. .

Своими громадными достижениями современная наука обязана именно эксперименту, поскольку с его помощью удалось органически связать мысль и опыт, теорию и практику. По сути дела, эксперимент представляет собой вопрос, обращенный к природе. Ученые убедились, что природа отвечает на правильно поставленные ими вопросы. Поэтому со времен Галилея эксперимент стал важнейшим средством диалога между человеком и природой, способом проникновения в глубокие ее тайны и средством открытия законов, которые управляют наблюдаемыми в эксперименте явлениями.

Структура эксперимента.Поскольку существующие в науке эксперименты отличаются большим разнообразием как по своим целям, так и по конкретному содержанию, то при рассмотрении их структуры возникает немало трудностей, связанных с выделением их общих признаков. Поэтому, анализируя общую структуру эксперимента при его планировании, ограничиваются обычно выявлением наиболее общих, характерных черт построения эксперимента.

На первой стадии устанавливают цель эксперимента, которая может состоять либо в проверке определенной гипотезы или теории, либо в поиске некоторой эмпирической зависимости между величинами, описывающими определенный процесс. Большей частью эксперимент используется для проверки научных гипотез, поэтому при постановке цели:

• точно указывают, какие следствия из гипотез подлежат опытной проверке;

• устанавливают, в какой форме — качественной или количественной — эти следствия необходимо представить;

• точно определяют те существенные факторы, от которых зависит результат эксперимента;

• выявляют те факторы, которые поддерживаются постоянными при эксперименте, так как предполагается, что они не могут оказывать существенного влияния на ход процесса.

Все эти задачи, как мы покажем ниже, подробно формулируются при планировании эксперимента.

Вторая стадия эксперимента состоит в контроле над его проведением, который заключается в обеспечении его «чистоты», связанной с изоляцией от влияния таких факторов, которые могут заметно изменить результат.

Третья стадия эксперимента связана с интерпретацией полученных данных и статистической обработкой результатов измерения соответствующих величин.

Классификация экспериментовможет проводиться по разным основаниям. По предмету исследования мы различаем физические, химические, биологические и другие подобные эксперименты. При этом чем сложнее форма движения материи, которую изучает соответствующая наука, тем более специфический характер приобретает в ней эксперимент. Например, в живой природе эксперимент обычно сводится к наблюдению над двумя группами организмов, одна из которых подвергается экспериментальному воздействию, а другая (контрольная) используется для сравнения.

По методу исследования, как мы видели, эксперименты можно разделить на качественные и количественные. Как правило, качественные эксперименты проводятся для предварительного исследования действия тех или иных факторов на изучаемый процесс без установления точной количественной зависимости. Нередко они носят поисковый характер, поскольку с их помощью достигается предварительная оценка той или иной гипотезы без установления количественной степени ее подтверждения. Количественный эксперимент строится с таким расчетом, чтобы обеспечить точное измерение всех факторов, влияющих на ход изучаемого процесса. Его проведение требует определения количественных понятий, описывающих процесс, а также использования значительного количества регистрирующей и измерительной аппаратуры, а результаты измерений должны подвергаться специальной математической обработке.

В реальной исследовательской практике качественные и количественные эксперименты составляют обычно последовательные этапы в эмпирическом изучении явлений и процессов. Как только будет раскрыта качественная зависимость исследуемого процесса от соответствующих свойств, параметров и факторов, так сразу же возникает задача количественного их определения с помощью математических функций или уравнений. Если качественный эксперимент позволяет раскрыть конкретную, содержательную связь факторов, влияющих на процесс, то количественный эксперимент уточняет степень и величину этой связи, способствуя тем самым лучшему пониманию природы изучаемых процессов.