История развития эксперимента. Особенности современных экспериментальных исследований

Содержание


Введение
1. Развитие эксперимента до 17 века
1.1 Предыстория
1.2 Античный период (8 – 2 в.в. до н.э.)
1.3 Средние века (4 – 16 века)
2. Развитие современного эксперимента
2.1 "Классический" период (конец 16 – первая половина 20 века)
2.2 "Неклассическая" наука (конец 19 – конец 20 века)
3. Современное ("постнеклассическое") состояние эксперимента
Заключение
Источники информации

История развития эксперимента. Особенности современных экспериментальных исследований

Концепции В. Оккама (автора знаменитого методического принципа "бритва Оккама"), и Т. Брадвардина, ученых из Оксфорда 14 века, позволяют считать их основателями принципов математического описания явлений природы, действующих и поныне.
В частности, мысленные эксперименты, выполненные Брадвардиным, позволили количественно (т.е. функционально) описать соотношение скорости, действующей силы и силы сопротивления, что в конце 14 века вошло в университетские курсы.14
Дальнейшее экспериментально-теоретическое движение в этом направлении позволило, абстрагируясь от качественной стороны изменений описывать их функциональными зависимостями вида пропорциональных отношений.
Но при этом описание сложных явлений не делалось через более простые; сложность, как и в античной науке, пытались выразитьсразу во всей полноте.
В античность зародилось, а в средние века прошло длинный путь развития изучение видоизменений веществ, известное под термином "алхимия". Она, в отличие от, например, мистической астрологии, имела в своей основе экспериментальное мышление.
В рассматриваемый период (4-16 вв.) алхимия характеризуется параллельным развитием как умозрительной и экспериментальной паранауки, так и практической, ремесленной химии. Но несправедливо приписывать последней все добытые экспериментальные химические знания в средние века, т.к. в каждой из отраслей алхимии можно усмотреть немало реальных, положительных знаний, вошедших в историю современной химии.
Из дошедших до нас сочинений по алхимии видно, что алхимики впервые открыли и выделили многие химические элементы и соединения. Они усовершенствовали технологии получения многочисленных практически ценных соединений (минеральных и растительных красок, стекол, эмалей, металлических сплавов, кислот, щелочей, солей, лекарственных препаратов).
Именно алхимия создавала и усовершенствовала аппараты для экспериментального исследования веществ, например, печи для длительного нагревания, перегонные кубы. То же самое касается и методов исследования, таких как перегонка, возгонка, фильтрование. Теории, в неявной форме высказываемые ведущими алхимиками (значительная часть которых вошла в историю химии, как выдающиеся исследователи), во многом предвосхитили современную теоретическую химию.
Выводы:
1) В начальный период истории, называемой средневековьем, из-за влияния теологии и теории познания, теоретическое мышление приняло облик мышления "лингвистического", т.е. изучения явлений по их описаниям. Т.о. реализовывался мыленный эксперимент в виде истолкования текстов, что включало в себя проблему смысла явлений.
2) В 13 веке, на волне нового прочтения Аристотеля, началось утверждение опыта, как критерия истинности, и мысленный эксперимент достиг нового уровня математической абстракции. Наметился переход от поиска "скрытых качеств" (идеальности, степени совершенства) к математическому описанию результатов наблюдения.
3) Экспериментальная алхимия средневековья развила многие аппараты, процессы и теории современной химии.
4) Опытное постижение действительности учеными средневековья включала и духовное экспериментирование посредством откровения и интуиции.
2. Развитие современного эксперимента
2.1 "Классический" период (конец 16 – первая половина 20 века)
Разработка общезначимой процедуры "вопрошания" – эксперимента и создания специального научного языка описания диалога с Природой – составляет главное содержание периода возникновения "классической" науки. Суть самого метода исследования изменилась, вместо изучения объекта как целого в античной философии и на протяжении большей части средневековой схоластики, "классическая" наука приступила к познанию целого через элементарное, повторяя путь идеализации Евклида.
Общепринятым является положение о том, что именно в 17 веке возникла европейская наука (прежде всего это относится к классическому естествознанию), причем "в начале века ее еще не было, в конце века она уже
была"15. Интересно, что она появилась как система с готовой структурой, во взаимосвязи всех составляющих: теоретического знания, его логического обоснования и математического описания, экспериментальной проверки. За очень короткий исторический период появилась также социальная структура науки, т.е. определенные учреждения и связи между ними и их членами. География появления "классической" науки была широка, но в основе этой системы были (в порядке очередности) Болонский, Парижский и Оксфордский университеты, которые пользовались значительным авторитетом в обществе задолго до этих лет.
Исследователи условно выделяют три этапа становления новой науки. Первый, связанный, прежде всего, с деятельностью Г. Галилея – формирование новой научной парадигмы; второй – с Р. Декартом – формирование теоретико-методологических основ новой науки; и третий – в который основной творческий вклад внес И. Ньютон, – полное завершение новой научной парадигмы – начало современной науки.
Одним из ближайших предшественников этих признанных гигантов был Леонардо да Винчи, оставивший в неопубликованных в 16 веке рукописях все основные идеи Галилея и Ньютона относительно механики и оптики и их связи с математикой. Но представлены они были в отрывочных, не систематизированных, зашифрованных записях, сделанных, очевидно, "для себя" или для потомков.16 Основой закономерностей, описанных Галилеем, были блестяще спланированные мысленные эксперименты и натурные опыты на оригинальном экспериментальном оборудовании. Т. о. Галилей внес свой вклад в технику физического эксперимента.
Различные авторы полагают, что окончательный и бесповоротный отказ от умозрительного подхода к познанию окружающего мира символизировало изречение Ньютона "Гипотез не измышляю". Но на самом деле оно символизировало отказ от поиска "первопричин" явлений и переход к пониманию цели науки, как нахождение адекватного математического описания наблюдаемых явлений. Это направление показало свою перспективность, так же как и внутренние противоречия. Например, споры о том, какой должна быть естественнонаучная дисциплина – объяснительной или, как в случае механики Ньютона, описательной, идут до сих пор.
Однако, как было показано ранее, эксперимент, в различных его вариантах, присутствовал во все эпохи. Классическую науку отличает от, например, номинализма средних веков, качественно иной уровень мысленного и реального моделирования и идеализации.
Радикальное отличие экспериментального мышления Новой эпохи наиболее ярко, образцово выразил в своих "Беседах…" Галилей.
На рисунке 1 представлена схема, которая отражает основные этапы нового уровня мышления.
Пунктиром отмечено влияние теории, принятой за основу, на отбор и оценку опытных фактов.
Одна из хорошо известных убедительных демонстрации эффективности этой схемы – исследование Галилеем зависимости падения тел в пустоте от их веса.17
Значение моделирования действительности в выполнении мысленных экспериментов стало основным методом, что подтверждается историей возникновения новых разделов физики.
Так, "классические" разделы физики "первой волны" 17 – 18 веков вырастали из моделирования конкретных задач: механика Галилея из задачи о свободном падении тела (идеальные объекты: тело, пустота, среда и т.д.), механика и теория тяготения Ньютона из задачи вывода законов движения планет Кеплера (идеальные объекты: масса, сила и т.д.). Аналогичная ситуация была в гидродинамике и термодинамике. Общие начальные теоретические принципы, с позиций которых отбирались и оценивались опытные данные (см. Рис. 1), и Галилей и Ньютон черпали в геометрии Евклида.18
В классической физике "второй волны", — электродинамике и статистической физике, моделирование выглядело несколько иначе, в виде построения теоретической модели для множества эмпирических результатов, хотя и здесь можно выделить у Максвелла, — полевую модель для явления электромагнитной индукции Фарадея, а у Больцмана, — механическую модель второго закона термодинамики.
Аналогичные методы развивались и в экспериментальной биологии первой трети 20 века.19
Одним из условием возникновения научного знания (еще раз уточним, что считаем "научным" знанием его современный европейский образец) явилось то, что познание в каждую конкретную эпоху претендовало на универсальность и общезначимость, однако всегда оказывалось исторически обусловленным. Так, рациональность и нерациональность у Аристотеля и Ньютона, отличаются, например, по отношению к механике, с точностью до наоборот. 20
У любой культурной эпохи в основе всего лежит уклад повседневной жизни ("витальный этаж"), на нем основана политическая жизнь общества ("социальный этаж"), а сверху всего – философия, религия, искусство и, наконец, наука ("духовный этаж").
В духовной культурной деятельности Нового времени наука отвечает за рациональное освоение опыта (эксперимента), проникая и в религию и в искусство (например, через библейскую текстологию и искусствоведение). Все духовные сферы имеют дело с образом и понятием; в науке понятие первично. Условно место науки в духовной культуре и эксперимента в науке показано на рисунке 2.
Выводы:
1) Связь теории и эксперимента стала качественно иной: органичной, многофункциональной и гибкой, причем в истоках эксперимента лежит фундаментальная наиболее надежно проверенная теория (принцип).
2) "Классическая" наука включила, как исток и финал исследования, процедуру эксперимента, как мысленного (чаще всего), так и натурного (более редкого, но более предпочтительного). Основой эксперимента стало моделирование объектов и условий действительности. В структуру эксперимента была включена теоретическая часть, определяющая выбор моделей (идеальных объектов) и измеряемых параметров. Особо в структуре эксперимента была выделена процедура измерения, как сравнения с эталоном.
4) В "классический" период были сформированы важнейшие экспериментальные модели: частиц, пустоты между ними и силы (в механике Ньютона), с одной стороны, и непрерывной среды, порождающей волны и силовое поле (в гидродинамике и электродинамике Максвелла), — с другой.
Эти типы моделей — фундамент всей физики. Все исходные физические модели строятся из их комбинаций.21
5) Глубокое влияние "классической науки" (Ньютон, Лейбниц) на развитие всех областей знания до настоящего времени – их неизбежная математизация, как признак "научности", часто в ущерб раскрытию смысла экспериментальных данных. Это стало одной из причин "гносеологического" кризиса в науке в конце 19 века.
Однако, моделирование действительности посредством её представления в математических понятиях становится всеобщим и основным, проникая даже в гуманитарные науки.
2.2 "Неклассическая" наука (конец 19 – конец 20 века)
"Неклассические" разделы науки – это, прежде всего, разделы "неклассической" физики, — специальной и общей теории относительности (СТО и ОТО) и нерелятивистской и релятивистской квантовой механики и электродинамики.22 Промежуточное место между классической и неклассической физикой занимают упоминавшиеся в предыдущем разделе электродинамика Максвелла с его "методом аналогий" и статистическая физика Максвелла-Больцмана-Гиббса. Особое место в "неклассической" науке, да и науке вообще занимает синэргетика.
Одной из существенных особенностей "неклассических" разделов физики является их рождение через парадокс. Сначала формулируется некий теоретический парадокс, а затем он, посредством мысленного эксперимента, преобразуется в новые идеальные объекты, образующие новый раздел науки.
а) Так, СТО появилась, как решение противоречивых мысленных и натурных экспериментов между механикой Ньютона и электродинамикой Максвелла.23
В результате, была постулирована новая мировая константа – скорость света в вакууме, и вследствие этого изменилась процедура выполнения измерений масс, отрезков длины и промежутков времени в тех экспериментах, где объекты движутся со скоростью, имеющей порядок скорости света. При выполнении математического моделирования образом частицы теперь будет не сила (использование понятия силы в рамках СТО недопустимо, поскольку в ней взаимодействия распространяются с конечной скоростью), а функция Лагранжа, равная разности кинетической и потенциальной энергий.
б) ОТО Эйнштейна – расширение СТО, учитывающее эффект сил тяготения, которые, по существующим представлениям, есть следствие искривления пространственно-временного континуума. В ОТО экспериментатор должен учитывать, в дополнение к описанным эффектам СТО, то что время и метрика (т.е. кривизна пространства, определяемой по силе тяготения в точке или ускорению точки) для каждой точки пространства индивидуальны.24
в) В квантовой физике25 в настоящее время сложилось два почти независимых друг от друга направления деятельности. Первое, естественнонаучное, обеспечивает получение конкретных теоретических и экспериментальных результатов, касающихся конкретных квантовых систем, уже более 70 лет. Второе, философское, направлено на понимание квантовой механики. Нас интересует в рамках данной работы исключительно первое направление.
Состояние системы в классической физике определяется значением соответствующих измеримых величин, а в квантовой механике — распределением вероятности этих значений, поэтому там, где для макросистемы в эксперименте требуется одно измерение, для описания состояния квантовой системы требуется достаточно длинная серия из многих измерений, обрабатываемая затем статистически.26
г) экспериментальные методы с привлечением синэргетики, проявили себя при изучении фундаментальных проблем неустойчивости и турбулентности, проявляющихся, в частности, в гидродинамике, астрофизике и химической технологии.27
Выводы:
В "неклассической" науке сохраняются все основные характеристики эксперимента науки "классической", за исключением процедуры измерений.
1) Для скоростей близких к скорости света, (например, для элементарных частиц в ускорителях) требуется учитывать релятивистские эффекты роста массы и сокращения промежутков времени и длин (расстояний) с помощью уравнений Лоренца.
2) Для объектов микромира (например, для тех же элементарных частиц) следует по определенным правилам определять распределение вероятностей для измеряемого параметра, совершая серию его измерений. Еще одна особенность таких объектов – невозможность измерения одновременно корпускулярных и волновых параметров, и, как следствие, принципиальная невозможность одновременного точного измерения т.н. сопрягаемых параметров объекта, например, импульса и координаты, промежутка времени и энергии.
3. Современное ("постнеклассическое") состояние эксперимента
Мы, в наше время, чаще всего понимаем под экспериментом вид или процесс исследования действительности в контролируемых условиях. Это связано, с одной стороны, с выделением экспериментальной деятельности в отдельные, достаточно самостоятельные и сложные в освоении профессиональные области, а с другой, распространение экспериментальной деятельности в естественнонаучной методологии на буквально все области знания.
Основные качественные отличия содержания современного эксперимента от, например, его состояния в первой половине 20 века, в его "неклассическом" периоде:
1) Колоссальное включение вычислительной техники в экспериментальные методы, вплоть до автоматизации не только процесса измерения, но и планирования эксперимента и полной обработки результатов вплоть до предложения вариантов интерпретации полученных закономерностей (например, при вычислении дерева развития вероятных событий при экологической катастрофе). Использование распределенной сети компьютеров по всему миру для проведения круглосуточной организации вычислений, как в случае экспериментов с адронным коллайдером и для целей экологического мониторинга процессов изменения климата и т.п.
Выполняются эксперименты по созданию искусственного интеллекта, например, с июня 2005 г. корпорация IBM и Федеральный политехнический институт в Лозанне выполняют проект Blue Brain, используя суперкомпьютер Server Blue Gene, по созданию детальной модели нейронной структуры неокортекса, самой сложной части коры головного мозга человека, которая, как полагают, отвечает за наиболее сложные функции мозга: мышление, понимание и память.28