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

Примером может служить история проведения экспериментов по изучению законов электромагнетизма. Впервые связь между электричеством и магнетизмом, как говорилось выше, выявил Х. К. Эрстед в 1820 г. Поместив магнитную стрелку над проводником, по которому идет ток, он обнаружил отклонение магнитной стрелки. Этот чисто качественный эксперимент послужил исходным пунктом для развития теории об электромагнитных явлениях. Вскоре после этого А. М. Ампер провел эксперимент, в котором количественно определил связь между электричеством и образованным им магнитным полем. Основываясь на эти данных, М. Фарадей поставил эксперимент, в ходе которого при вращении в магнитном поле замкнутого контура в нем возникал электрический ток. Эта была, по существу, первая модель электромотора [32] См.: Липсон Г. Указ. раб. С. 122–123. . Эти замечательные эксперименты стали основой для построения Д. К. Максвеллом математической теории электромагнитного поля.

Наконец, в последние годы все шире используются так называемые модельные эксперименты, в которых вместо реальных объектов и явлений экспериментируют с их идеальными образами и количественными зависимостями между ними, выраженными с помощью математических функций, уравнений, систем уравнений и других абстрактных структур. Наиболее многообещающим и перспективным среди них является вычислительный, или машинный, эксперимент, который успешно разработан и используется в Институте прикладной математики РАН. Для проведения такого эксперимента строится математическая модель изучаемого явления или процесса. Затем, изменяя параметры модели, с помощью компьютера вычисляют различные варианты модели и сопоставляют их с реальными величинами. Вариант, который наиболее адекватно описывает реальный процесс, выбирается в качестве оптимального. Очевидно, что вычислительный эксперимент, как и остальные модельные эксперименты, принципиально отличается от реальных экспериментов и предназначается скорее для эвристического поиска новых истин, чем непосредственно для эмпирической проверки гипотез.

Планирование эксперимента. Уже в процессе научного наблюдения ученый руководствуется определенными теоретическими представлениями о наблюдаемых фактах. В гораздо большей степени зависимость от теории проявляется в эксперименте. Прежде чем поставить эксперимент, надо не только располагать общим его замыслом, но и тщательно продумать план его проведения, т. е. теоретическую схему построения отдельных его стадий.

Выбор типа эксперимента, как и конкретный план его построения, определяется в первую очередь той научной проблемой, которую предстоит решить с его помощью. Одно дело, когда эксперимент предназначен для качественной оценки и проверки гипотезы, т. е. простого установления зависимости между факторами исследуемого явления. Совсем другое дело, когда ставится задача определения количественной зависимости между этими факторами в математической форме, т. е. поиска функций, уравнений и других математических структур, которые бы адекватно отобразили количественные отношения между факторами. Все это свидетельствует о том, что план проведения каждого конкретного эксперимента обладает своими специфическими особенностями. Поэтому не существует какого-либо общего шаблона или схемы, с помощью которых можно было бы построить эксперимент для решения любой проблемы в каждой экспериментальной науке. Самое большее, что можно здесь сделать, — это наметить стратегию исследования и дать некоторые общие рекомендации по построению и планированию эксперимента.

После того как будет точно сформулирована цель эксперимента, необходимо выделить прежде всего те факторы, которые оказывают существенное влияние на его проведение. Выявление таких факторов зависит от степени теоретической зрелости соответствующей науки, а особенно от интуиции и опыта исследователя. В своих экспериментах по изучению свободного падения тел Галилей, как мы видели, не учитывал влияния на результат опытов сопротивления воздуха, неоднородности поля тяготения, не говоря уже о температуре или строении тел. Все эти факторы не оказывают какого-либо существенного влияния на падение тел вблизи земной поверхности, где сопротивление воздуха незначительно, а поле тяготения практически можно считать однородным, хотя во времена Галилея не существовало теории, объясняющей это явление. Когда имеется достаточно разработанная общая теория, тогда выявить существенные факторы планируемого эксперимента не слишком трудно. Если же исследование только начинается, а область изучаемых явлений совсем новая, тогда отделение существенных факторов от несущественных представляет проблему. Ведь любой фактор в принципе может оказаться существенным, и поэтому заранее, без предварительного исследования и проверки, его исключить нельзя. С другой стороны, проверить, являются ли все факторы существенными, также невозможно. Следовательно, перед исследователем возникает проблема выбора: если он сделает правильный выбор, то эксперимент даст ему возможность успешно решить научную проблему.

История науки дает нам множество примеров, когда верный выбор существенных факторов при проведении экспериментов помог ученым открыть важные законы природы. Известно, что Роберт Бойль, впервые сформулировавший закон об обратной пропорциональности между давлением и объемом «идеальных» газов, считал температуру несущественным фактором. Впоследствии французские физики Жак Шарль и Гей Люссак предположили, что температура газа служит существенным его фактором и экспериментально доказали закон о прямой пропорциональной зависимости между объемом и температурой газа. Все это свидетельствует о том, что фактор, считавшийся несущественным в одних экспериментах, становится существенным в других.

Следующая стадия при проведении эксперимента сводится к изучению зависимостей между существенными факторами при сохранении несущественных факторов неизменными или постоянными. Если в качестве существенных выявлены факторы М 1, М 2, М 3, …, М K, то сначала будет изучена зависимость между двумя факторами, например М 1 и М 2. Все остальные факторы при этом будут предполагаться постоянными. Изменяя в эксперименте фактор М 2 можно установить, в какой зависимости от него изменяется фактор М 1, например как меняется объем газа с изменением его давления. Затем аналогично экспериментируют с другими парами, тройками, четверками факторов и т. д. Именно таким способом в итоге устанавливают взаимозависимость между всеми факторами, которую можно выразить с помощью математических формул или уравнений. Так, в рассмотренных выше примерах, после того как были установлены частные законы Бойля-Мариотта и Шарля-Гей Люссака, удалось сформулировать общий закон, выражающий связь между давлением, объемом и температурой идеального газа в виде уравнения Клапейрона: