Розділ 1. ПРИРОДОЗНАВСТВО, НАУКА, НАУКОВИЙ МЕТОД, ПІЗНАННЯ І ЙОГО СТРУКТУРА

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".

1.2.3 Вимірювання

Більшість наукових експериментів і спостережень передбачають проведення різноманітних вимірювань. Вимірювання — це процес, суть якого полягає у визначенні кількісних значень тих чи інших властивостей, сторін досліджуваного об'єкта або явища за допомогою спеціальних технічних пристроїв.

Величезне значення вимірювань для науки відзначали багато відомих учених. Наприклад, Д. І. Менделєєв підкреслював, що "наука починається з того моменту, коли починають вимірювати". А відомий англійський фізик В. Томсон (Кельвін) указував на те, що "кожна річ відома лише настільки, наскільки її можна виміряти".

Важливою стороною процесу вимірювання є методика його проведення. Вона являє собою сукупність прийомів, що ґрунтуються на певних принципах і засобах вимірювання. Під принципами вимірювання в даному випадку розуміють якісь явища, що лежать в основі вимірювань (наприклад, вимірювання температури з використанням термоелектричного ефекту).

Наявність суб'єкта (дослідника), який проводить вимірювання, не завжди є обов'язковою. Він може й не брати особистої участі в процесі вимірювання, якщо вимірювальна процедура є складовою частиною роботи автоматичної інформаційно-вимірювальної системи. Остання базується на використанні електронно-обчислювальної техніки. Причому, коли з'явилися* порівняно недорогі комп'ютери, вимірювальна техніка дістала можливість створювати "інтелектуальні" прилади, які обробку даних вимірювань здійснюють одночасно з власне вимірювальними операціями.

Результат вимірювання має вигляд певного числа одиниць вимірювання. Одиниця вимірювання — це еталон, з яким порівнюється характеристика об'єкта або явища, що вимірюється (еталону присвоюється числове значення "1"). Існує багато одиниць вимірювання, що відповідає великій кількості об'єктів, явищ, їхніх властивостей, характеристик, зв'язків, які доводиться вимірювати в процесі наукового пізнання. При цьому одиниці вимірювання поділяються на основні, які є базисними при побудові системи одиниць, і похідні, що виводяться з інших одиниць на основі якихось математичних співвідношень.

Методику побудови системи одиниць як сукупності основних і похідних одиниць уперше запропонував у 1832 році К. Гаусе. Він запропонував систему одиниць, у якій за основу було прийнято три довільні, незалежні одна від однієї основні одиниці — довжини (міліметр), маси (міліграм) і часу (секунда). Усі інші (похідні) одиниці можна було визначити за допомогою цих трьох. Пізніше, з розвитком науки й техніки, з'явилися й інші системи одиниць фізичних величин, побудовані за принципом, запропонованим Гауссом. Вони базувалися на метричній системі мір, але відрізнялися одна від однієї основними одиницями.

Крім того, у фізиці з'явилися так звані природні системи одиниць. їх основні одиниці визначалися на основі законів природи (це виключало сваволю людини як чинника, що впливає на побудову зазначених систем). Як приклад можна навести "природну" систему фізичних одиниць, запропоновану у свій час Максом Планком. За її основу було взято "світові сталі": швидкість світла у вакуумі, стала тяжіння, стала Больцмана й стала Планка. Взявши ці величини за основу та прирівнявши їх до "1", Планк одержав ряд похідних одиниць (довжини, маси, часу й температури).

Учений писав із приводу одиниць запропонованої ним системи так: "Ці величини зберігають своє природне значення, поки закони всесвітнього тяжіння й поширення світла у вакуумі та два основні начала термодинаміки залишаються незмінними; вони повинні бути однаковими, якими б розумними істотами і якими б методами вони не визначалися".