НГТУ (НЭТИ). Это были результаты
мирового класса.
Измерение, наряду с наблюдением и сравнением, широко используется
на эмпирическом уровне познания и деятельности человека вообще, оно входит в состав наиболее развитого, сложного и значимого метода — экспериментального.
Под экспериментом понимается такой метод изучения и преобразования
объектов, когда исследователь активно воздействует на них путем создания
искусственных условий, необходимых для выявления каких-либо интересующих его свойств, характеристик, аспектов, сознательно изменяя течение
естественных процессов, ведя при этом регулирование, измерения и наблюдения. Основным средством создания таких условий являются разнообразные приборы и искусственные устройства, о которых мы еще поговорим ниже. Эксперимент представляет собой наиболее сложный, комплексный и эффективный метод эмпирического познания и преобразования объектов разного рода. Но сущность его не в сложности, а в целенаправленности, преднамеренности и вмешательстве путем регулирования и управления в течение изучаемых и преобразуемых процессов и состояний объектов.
Основателем экспериментальной науки и экспериментального метода
считается Галилей. Опыт как главный путь для естествознания обозначил
впервые в конце XVI, начале XVII века английский философ Френсис Бэкон.
Опыт — главный путь и для инженерии, технологий.146
Отличительными признаками эксперимента считают возможность изучения и преобразования того или иного объекта в относительно чистом виде,
когда все побочные факторы, затемняющие суть дела, устраняются почти целиком. Это даёт возможность исследования объектов действительности в
экстремальных условиях, то есть при сверхнизких и сверхвысоких температурах, давлениях и энергиях, величинах скорости процессов, напряженности
электрических и магнитных полей, энергиях взаимодействия и др. В этих условиях можно получить неожиданные и удивительные свойства у обычных
объектов и, тем самым, глубже проникнуть в их сущность и механизмы преобразований (экстремальный эксперимент и анализ).
Примерами явлений, открытых в экстремальных условиях, являются
сверхтекучесть и сверхпроводимость при низких температурах. Важнейшим
достоинством эксперимента является его повторяемость, когда наблюдения,
измерения, испытания свойств объектов проводятся многократно при варьировании условий, чтобы повысить точность, достоверность и практическую
значимость ранее полученных результатов, убедиться вообще в существовании нового явления.
К эксперименту обращаются в следующих ситуациях:
— когда пытаются обнаружить у объекта ранее неизвестные свойства и характеристики — это исследовательский эксперимент;
— когда проверяют правильность тех или иных теоретических положений,
выводов и гипотез — проверочный к теории эксперимент;
— когда проверяют правильность ранее произведенных экспериментов —
проверочный (к экспериментам) эксперимент;
— учебно-демонстрационный эксперимент.
Любой из этих видов эксперимента может быть проведен как непосредственно с обследуемым объектом, так и с его заместителем — моделями разного рода. Эксперименты первого типа называют натурными, второго — модельными (моделирование). Примерами экспериментов второго типа являются исследования гипотетической первичной атмосферы Земли на моделях из
смеси газов и паров воды. Опыты Миллера и Абельсона подтвердили возможность образования при электрических разрядах в модели первичной атмосферы органических образований, соединений, а это, в свою очередь, стало проверкой теории Опарина и Холдейна о происхождении жизни. Другим
примером являются модельные эксперименты на компьютерах, получающие
все большее распространение во всех науках. В этой связи физики сегодня
говорят о возникновении “вычислительной физики” (работа компьютера базируется на математических программах и вычислительных операциях).
Достоинством эксперимента является возможность изучения объектов в
более широком диапазоне условий, чем это допускает оригинал, что особенно заметно в медицине, где нельзя вести опыты, нарушающие здоровье человека. Тогда прибегают к помощи живых и неживых моделей, повторяющих
или имитирующих особенности человека и его органов. Эксперименты можно вести как над вещественно-полевыми и информационными объектами, так147
и с их идеальными копиями; в последнем случае перед нами мысленный эксперимент, в том числе вычислительный как идеальная форма реального эксперимента (компьютерное моделирование эксперимента).
В настоящее время усиливается внимание к социологическим экспериментам. Но здесь существуют особенности, ограничивающие возможности
подобных экспериментов согласно законам и принципам гуманности, которые находят отражение в концепциях и соглашениях ООН и международного
права. Так, никто, кроме преступников, не станет планировать экспериментальные войны, эпидемии и т.п., чтобы изучить их последствия. В этой связи
сценарии ракетно-ядерной войны и следствия из нее в виде “ядерной зимы”
проигрывались на компьютерах у нас и в США. Вывод из этого эксперимента: ядерная война принесет неизбежно гибель всего человечества и всего живого на Земле. Велико значение экономических экспериментов, но и здесь
безответственность и политическая ангажированность политиков может привести и приводит к катастрофическим результатам.
Наблюдения, измерения и эксперименты в основном базируются на различных приборах. Что же такое прибор с точки зрения его роли для исследования? В широком смысле слова под приборами понимают искусственные,
технические средства и разного рода устройства, которые позволяют вести
исследование какого-либо интересующего нас явления, свойства, состояния,
характеристики с количественной и/или качественной стороны, а также создавать строго определенные условия для их обнаружения, реализации и регулирования; устройства, позволяющие вместе с тем вести наблюдение и измерение.
Не менее важно при этом выбрать систему отсчета, создать ее специально в приборе. Под системами отсчета понимают объекты, которые мысленно принимают за исходные, базисные и физически покоящиеся, неподвижные. Наиболее понятно это видно при измерении при помощи разных
шкал для отсчета. В астрономических наблюдениях — это Земля, Солнце,
другие тела, неподвижные (условно) звезды и др. Физики называют “лабораторной” ту систему отсчета, объект, которые совпадают с местом наблюдения и измерения в пространственно-временном смысле. В самом приборе
система отсчета – это важная часть измерительного устройства, условно проградуированная на шкале отсчета, где наблюдателем фиксируется, например,
отклонение стрелки или светового сигнала от начала шкалы. В цифровых
системах измерения мы все равно имеем начало отсчета, известное наблюдателю на основе знания особенностей применяемого здесь счетного множества единиц измерения. Простые и понятные шкалы, например, у линеек, часов
с циферблатом, у большинства электро- и теплоизмерительных приборов.
В классический период науки среди требований к приборам были, вопервых, чувствительность к воздействию внешнего измеряемого фактора для
измерения и регулирования условий эксперимента; во-вторых, так называемая “разрешающая способность” — то есть границы точности и поддержания
заданных условий для изучаемого процесса в экспериментальном устройстве.148
При этом молчаливо считалось, что в ходе прогресса науки их все удастся
улучшить и увеличить. В XX веке, благодаря развитию физики микромира,
нашли, что существует нижний предел делимости вещества и поля (кванты и
др.), имеется нижнее значение величины электрического заряда и т.п. Все это
вызвало пересмотр прежних требований и привлекло особое внимание к системам физических и других единиц, известных каждому из школьного курса
физики.
Важным условием объективности описания объектов считалась также
принципиальная возможность абстрагироваться, отвлечься от систем отсчета
путем или выбора так называемой “естественной системы отсчета”, или путем обнаружения таких свойств у объектов, которые не зависят от выбора
систем отсчета. В науке их называют “инвариантами”. В самой природе не
так уж и много подобных инвариантов: это вес атома водорода (и он стал мерой, единицей для измерения веса других химических атомов), это электрический заряд, так называемое “действие” в механике и в физике (его размерность — энергия ? время), Планковский квант действия (в квантовой механике), гравитационная постоянная, скорость света и др. На рубеже XIX и XX
веков наука выяснила, казалось, парадоксальные вещи: масса, длина, время
— относительны, они зависят от скорости движения частиц вещества и полей
и, конечно, от положения наблюдателя в системе отсчета. В специальной
теории относительности в итоге был найден особый инвариант — “четырехмерный интервал”.
Значение и роль исследований систем отсчета и инвариантов в течение
всего XX века нарастало, особенно при изучении экстремальных условий,
характера и скорости протекания процессов, таких как сверхвысокие энергии, низкие и сверхнизкие температуры, быстропротекающие процессы и т.п.
Остается важной и проблема точности измерения. Все приборы, применяемые в науке и технике, можно разделить на наблюдательные, измерительные
и экспериментальные. Их несколько видов и подвидов по их назначению и
функциям в исследовании:
1. Измерительные проборы разного рода с двумя подвидами:
а) прямого измерения (линейки, мерные сосуды и др.);
б) косвенного, опосредованного измерения (например, пирометры, измеряющие температуру тела через измерение энергии излучения; тензометрические приборы и датчики — давление через электрические процессы в самом приборе; и др.).
2. Усиливающие естественные органы человека, но не меняющие сущности и природы наблюдаемой и измеряемой характеристики. Таковы оптические приборы (от очков до телескопа), многие акустические приборы и др.
3. Преобразующие естественные процессы и явления из одного вида в
другой, доступный наблюдателю и/или его наблюдательным и измерительным устройствам. Таковы рентгеновский аппарат, сцинтилляционные датчики и т.п.149
4. Экспериментальные приборы и устройства, а также их системы,
включающие наблюдательные и измерительные приборы как свою неотъемлемую часть. Диапазон таких приборов простирается до размеров гигантских
ускорителей частиц, вроде Серпуховского. В них процессы и объекты разного рода относительно изолированы от среды, они регулируются, управляются, а явления выделяются в максимально чистом виде (то есть, без других,
посторонних явлений и процессов, помех, возмущающих факторов и т.п.).
5. Демонстрационные приборы, которые служат для наглядного показа
разных свойств, явлений и закономерностей разного рода при обучении. К
ним можно отнести также испытательные стенды и тренажеры разного рода,
поскольку они обладают наглядностью, а также часто имитируют те или
иные явления, как бы обманывая обучающихся.
Различают также приборы и устройства: а) исследовательского назначения (для нас здесь они главное) и, б) массового потребительского назначения.
Прогресс приборостроения — это забота не только ученых, но также конструкторов и инженеров-приборостроителей в первую очередь.
Можно различить также приборы-модели, как бы продолжение всех
предыдущих в виде их заместителей, а также уменьшенные копии и макеты
реальных приборов и устройств, природных объектов. Примером моделей
первого рода будут кибернетические и компьютерные имитации реальных,
позволяющие изучать и проектировать реальные объекты, часто в широком
диапазоне сходных в чем-то систем (в управлении и связи, проектировании
систем и коммуникаций, сетей разного рода, в САПР). Примеры моделей
второго рода — вещественные модели моста, самолета, плотины, балки, машины и ее узлов, любого устройства.
В широко смысле прибор — это не только некоторое искусственное образование, но это и среда, в которой протекает какой-нибудь процесс. В роли
последней может выступать и компьютер. Тогда говорят, что перед нами вычислительный эксперимент (при оперировании числами).
У вычислительного эксперимента как метода большое будущее, так как
часто экспериментатор имеет дело с многофакторными и коллективными
процессами, где нужна огромная статистика. Экспериментатор также имеет
дело с агрессивными средами и процессами, опасными для человека и живого вообще (в связи с последним существуют экологические проблемы научного и инженерного эксперимента).
Развитие физики микромира показало, что в своем теоретическом описании объектов микромира мы в принципе не можем избавиться от влияния
прибора на искомый ответ. Более того, здесь мы в принципе не можем одновременно измерять координаты и импульсы микрочастицы и др.; после измерения приходится строить взаимодополнительные описания поведения частицы за счет показаний разных приборов и неодновременных описаний данных измерений (принципы неопределенностей В.Гейзенберга и принцип дополнительности Н.Бора).150
Прогресс в приборостроении нередко создает подлинную революцию в
той или иной науке. Классическими являются примеры открытий, сделанными благодаря изобретению микроскопа, телескопа, рентгеновского аппарата,
спектроскопа и спектрометра, создания спутниковых лабораторий, вынос
приборов в космос на спутниках и т.п. Расходы на приборы и эксперименты
во многих НИИ составляют часто львиную долю их бюджетов. Сегодня много примеров, когда эксперименты не по карману целым немаленьким странам, и поэтому они идут на научную кооперацию (как ЦЕРН в Швейцарии, в
космических программах и др.).
В ходе развития науки роль приборов
