Эмпирические методы.

К методам эмпирического исследования в нау-

ке и технике относятся, наряду с некоторыми другими, наблюдение, сравне-

ние, измерение и эксперимент.

Под наблюдением понимается систематическое и целенаправленное вос-

приятие интересующего нас почему-то объекта: вещи, явления, свойства, со-

стояния, аспектов целого — как материальной, так и идеальной природы. Это

наиболее простой метод, выступающий, как правило, в составе других эмпи-

рических методов, хотя в ряде наук он выступает самостоятельно или в роли

главного (как в наблюдении погоды, в наблюдательной астрономии и др.).

Изобретение ___________телескопа позволило человеку распространить наблюдение на

ранее недоступную область мегамира, создание микроскопа ознаменовало

вторжение в микромир. Рентгеновский аппарат, радиолокатор, генератор

ультразвука и много других технических средств наблюдения привели к не-

виданному росту научной и практической ценности этого метода исследова-

ния. Существуют также способы и методики самонаблюдения и самоконтро-

ля (в психологии, медицине, физкультуре и спорте и др.).

Само понятие наблюдения в теории познания обобщенно выступает в

форме понятия “созерцания”, оно связано с категориями деятельности и ак-

тивности субъекта.

Чтобы быть плодотворным и продуктивным, наблюдение должно удов-

летворять следующим требованиям:

— быть преднамеренным, то есть вестись для решения вполне определенных

задач в рамках общей цели (целей) научной деятельности и практики;

— планомерным, то есть состоять из наблюдений, идущих по определенному

плану, схеме, вытекающих из характера объекта, а также целей и задач ис-

следования;

— целенаправленным, то есть фиксировать внимание наблюдателя лишь на

интересующих его объектах и не останавливаться на тех, которые выпадают

из задач наблюдения. Наблюдение, направленное на восприятие отдельных

деталей, сторон, аспектов, частей объекта называют фиксирующим, а охваты-

вающее целое при условии повторного наблюдения (возвратного) — флук-

туирующим. Соединение этих видов наблюдения в итоге и дает целостную

картину объекта;

— быть активным, то есть таким, когда наблюдатель целенаправленно ищет

нужные для его задач объекты среди некоторого их множества, рассматрива-

ет отдельные интересующие его стороны свойства, аспекты этих объектов,

опираясь при этом на запас собственных знаний, опыта и навыков;

— систематическим, то есть таким, когда наблюдатель ведет свое наблюде-

ние непрерывно, а не случайно и спорадически (как при простом созерца-

нии), по определенной, продуманной ___________заранее схеме, в разнообразных или же

строго оговоренных условиях.

Наблюдение как метод научного познания и практики дает нам факты в

форме совокупности эмпирических утверждений об объектах. Эти факты об-

разуют первичную информацию об объектах познания и изучения. Заметим,

что в самой действительности никаких фактов нет: она просто существует.

Факты — в головах людей. Описание научных фактов происходит на основе

определенного научного языка, идей, картин мира, теорий, гипотез и моде-

лей. Именно они и определяют первичную схематизацию представления о

данном объекте. Собственно, именно при таких условиях и возникает “объ-

ект науки” (который не надо путать с объектом самой действительности, так

как второй есть теоретическое описание первого!).

Многие ученые специально развивали у себя способность к наблюде-

нию, то есть наблюдательность. Ч.Дарвин говорил, что он обязан своими ус-

пехами тому, что усиленно развивал в себе это качество.

Сравнение — это один из наиболее распространенных и универсальных

методов познания. Известный афоризм: “Все познается в сравнении” — луч-

шее тому доказательство. Сравнением называют установление сходства (то-

ждества) и различия предметов и явлений разного рода, их сторон и др., во-

обще — объектов исследования. В результате сравнения устанавливается то

общее, что присуще двум и более объектам — в данный момент или в их ис-

тории. В науках исторического характера сравнение было развито до уровня

основного метода исследования, который получил название сравнительно-

исторического. Выявление общего, повторяющегося в явлениях, как извест-

но, — ступень на пути к познанию закономерного.

Для того, чтобы сравнение было плодотворным, оно должно удовлетво-

рять двум основным требованиям: сравниваться должны лишь такие стороны

и аспекты, объекты в целом, между которыми существует объективная общ-

ность; сравнение должно идти по наиболее важным, существенным в данной

исследовательской или другой задаче признакам. Сравнение по несущест-

венным признакам может привести лишь к заблуждениям и ошибкам. В этой

связи надо осторожно относиться к умозаключениям “по аналогии”. Францу-

зы даже говорят, что “сравнение — не доказательство! ”.

Интересующие исследователя, инженера, конструктора объекты могут

сравниваться или непосредственно или опосредованно — через третий объ-

ект. В первом случае получают качественные оценки типа: больше — мень-

ше, светлее — темнее, выше — ниже, ближе — дальше и др. Правда, и здесь

можно получить простейшие количественные характеристики: “выше в два

раза”, “тяжелее в два раза” и др. Когда же имеется еще и третий объект в ро-

ли эталона, мерки, масштаба, то получают особо ценные и более точные ко-

личественные характеристики. Такое сравнение через посредствующий объ-

ект называю измерением. Сравнение подготавливает основу и для ряда тео-

ретических методов. Само оно опирается часто на умозаключения по анало-

гии, о которых мы будем говорить дальше.

Измерение исторически развивалось из наблюдений и сравнения. Одна-

ко в отличие от простого сравнения оно более результативно и точно. Совре-

менное естествознание, начало которому было положено Леонардо да Винчи,

Галилеем и Ньтоном. Своим расцветом обязано применению измерений.

Именно Галилей провозгласил принцип количественного подхода к явлени-

ям, согласно которому описание физических явлений должно опираться на

величины, имеющие количественную меру — число. Он говорил, что книга

природы написана на языке математики. Инженерия, проектирование и кон-

струирование в своих методах продолжают эту же линию. Мы будем здесь

рассматривать измерение в отличие от других авторов, объединяющих изме-

рение с экспериментом, как самостоятельный метод.

Измерение — это процедура определения численного значения некото-

рой характеристики объекта посредством сравнения ее с единицей измере-

ния, принятой как стандарт данным исследователем или всеми учеными и

практиками. Как известно, существуют международные и национальные

единицы измерения основных характеристик различных классов объектов,

такие как час, метр, грамм, вольт, бит и др.; день, пуд, фунт, верста, миля и

др. Измерение предполагает наличие следующих основных элементов: объ-

екта измерения, единицы измерения, то есть масштаба, мерки, эталона; изме-

рительного устройства; метода измерения; наблюдателя.

Измерения бывают прямые и косвенные. При прямом измерении резуль-

тат получается непосредственно из самого процесса измерения (например,

используя меры длины, времени, веса и т.д.). При косвенном измерении ис-

комая величина определяется математическим путем на основе других вели-

чин, полученных ранее прямым измерением. Так получают, например,

удельный вес, площадь и объем тел правильной формы, скорость и ускорение

тела, мощность и др.

Измерение позволяет находить и формулировать эмпирические законы и

фундаментальные мировые константы. В связи с этим оно может служить ис-

точником формирования даже целых научных теорий. Так, многолетние из-

мерения движения планет Тихо де Браге позволили потом Кеплеру создать

обобщения в виде известных трех эмпирических законов движения планет.

Измерение атомных весов в химии явилось одной из основ формулирования

Менделеевым своего знаменитого периодического закона в химии и т.п. Из-

мерение дает не только точные количественные сведения о действительно-

сти, но и позволяет вносить новые качественные соображения в теорию. Так

произошло в итоге с измерением скорости света Майкельсоном в ходе разви-

тия Эйнштейновской теории относительности. Примеры можно продолжить.

Важнейшим показателем ценности измерения является его точность.

Благодаря ей могут быть открыты факты, которые не согласуются с ныне

существующими теориями. В свое время, например___________, отклонения в величине

перигелия Меркурия от расчетного (то есть согласного с законами Кеплера и

Ньютона) на 13 секунд в столетие смогли объяснить, только создав новую,

релятивистскую концепцию мира в общей теории относительности.

Точность измерений зависит от имеющихся приборов, их возможностей

и качества, от применяемых методов и самой подготовки исследователя. На

измерения часто тратятся большие средства, нередко их готовят длительное

время, в них участвует множество людей, а результат может оказаться или

нулевым или неубедительным. Нередко, к полученным результатам исследо-

ватели бывают не готовы, потому что разделяют определенную концепцию,

теорию, а она не может включить этот результат. Так, в начале XX века уче-

ный Ландольт очень точно проверил закон сохранения веса веществ в химии

и убедился в его справедливости. Если бы его методика была бы усовершен-

ствована (и точность увеличена на 2 - 3 порядка), то можно было бы вывести

известное соотношение Эйнштейна между массой и энергией: E = mc2. Но

было ли бы это убедительным для научного мира того времени? Вряд ли!

Наука еще не была готова к этому. В XX веке, когда, определяя массы радио-

активных изотопов по отклонению ионного пучка, английский физик Ф. Ас-

тон подтвердил теоретический вывод Эйнштейна, это было воспринято в

науке как естественный результат.

Следует иметь в виду, что существуют определенные требования к

уровню точности. Он должен находиться в соответствии с природой объек-

тов и с требованиями познавательной, проектировочной, конструкторской

или инженерной задачи. Так, в технике и строительстве постоянно имеют де-

ло с измерением массы (то есть веса), длиной (размером) и др. Но в боль-

шинстве случаев прецизионная точность здесь не требуется, более того, она

выглядела бы вообще смешно, если бы, скажем, вес опорной колонны для

здания проверялся до тысячных или ещё меньших долей грамма! Существует

и проблема измерения массовидного материала, связанного со случайными

отклонениями, как это бывает в больших совокупностях. Подобные явления

характерны для объектов микромира, для биологических, социальных, эко-

номических и других подобных объектов. Здесь применимы поиски стати-

стического среднего и методы, специально ориентированные на обработку

случайного и его распределений в виде вероятностных методов и др.

Для исключения случайных и систематических ошибок измерения, вы-

явления ошибок и погрешностей, связанных с природой приборов и самого

наблюдателя (человека), развита специальная математическая теория оши-

бок.

Особое значение в XX веке приобрели в связи с развитием техники ме-

тоды измерения в условиях быстрого протекания процессов, в агрессивных

средах, где исключается присутствие наблюдателя, и т.п. На помощь здесь

пришли методы авто- и электрометрии, а также компьютерной обработки

информации и управления процессами измерения. В их разработке выдаю-

щуюся роль сыграли разработки ученых Новосибирского института автома-

тики и электрометрии СО РАН, а также НГТУ (НЭТИ). Это были результаты

мирового класса.

Измерение, наряду с наблюдением и сравнением, широко используется

на эмпирическом уровне познания и деятельности человека вообще, оно вхо-

дит в состав наиболее развитого, сложного и значимого метода — экспери-

ментального.

Под экспериментом понимается такой метод изучения и преобразования

объектов, когда исследователь активно воздействует на них путем создания

искусственных условий, необходимых для выявления каких-либо интере-

сующих его свойств, характеристик, аспектов, сознательно изменяя течение

естественных процессов, ведя при этом регулирование, измерения и наблю-

дения. Основным средством создания таких условий являются разнообраз-

ные приборы и искусственные устройства, о которых мы еще поговорим ни-

же. Эксперимент представляет собой наиболее сложный, комплексный и эф-

фективный метод эмпирического познания и преобразования объектов разно-

го рода. Но сущность его не в сложности, а в целенаправленности, преднаме-

ренности и вмешательстве путем регулирования и управления в течение изу-

чаемых 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.

Отличительными признаками эксперимента считают возможность изу-

чения и преобразования того или иного объекта в относительно чистом виде,

когда все побочные факторы, затемняющие суть дела, устраняются почти це-

ликом. Это даёт возможность исследования объектов действительности в

экстремальных условиях, то есть при сверхнизких и сверхвысоких темпера-

турах, давлениях и энергиях, величинах скорости процессов, напряженности

электрических и магнитных полей, энергиях взаимодействия и др. В этих ус-

ловиях можно получить неожиданные и удивительные свойства у обычных

объектов и, тем самым, глубже проникнуть в их сущность и механизмы пре-

образований (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 варьи-

ровании условий, чтобы повысить точность, достоверность и практическую

значимость ранее полученных результатов, убедиться вообще в существова-

нии нового явления.

К эксперименту обращаются в следующих ситуациях:

— когда пытаются обнаружить у объекта ранее неизвестные свойства и ха-

рактеристики — 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 непосред-

ственно с обследуемым объектом, так и с его заместителем — моделями раз-

ного рода. Эксперименты первого типа называют натурными, второго — мо-

дельными (моделирование). Примерами экспериментов второго типа являют-

ся исследования гипотетической первичной атмосферы Земли на моделях из

смеси газов и паров воды. Опыты Миллера и Абельсона подтвердили воз-

можность образования при электрических разрядах в модели первичной ат-

мосферы органических образований, соединений, а это, в свою очередь, ста-

ло 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 ба-

зируется на математических программах и вычислительных операциях).

Достоинством эксперимента является возможность изучения объектов в

более широком диапазоне условий, чем это допускает оригинал, что особен-

но заметно в медицине, где нельзя вести опыты, нарушающие здоровье чело-

века. Тогда прибегают к помощи живых и неживых моделей, повторяющих

или имитирующих особенности человека и его органов. Эксперименты мож-

но вести как над вещественно-полевыми и информационными объектами, так

и с их идеальными копиями; в последнем случае перед нами мысленный экс-

перимент, в том числе вычислительный как идеальная форма реального экс-

перимента (компьютерное моделирование эксперимента).

В настоящее время усиливается внимание к социологическим экспери-

ментам. Но здесь существуют особенности, ограничивающие возможности

подобных экспериментов согласно законам и принципам гуманности, кото-

рые находят отражение в концепциях и соглашениях ООН и международного

права. Так, никто, кроме преступников, не станет планировать эксперимен-

тальные 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 эксперимен-

та: ядерная война принесет неизбежно гибель всего человечества и всего жи-

вого на Земле. Велико значение экономических экспериментов, но и здесь

безответственность и политическая ангажированность политиков может при-

вести и приводит к катастрофическим результатам.

Наблюдения, измерения и эксперименты в основном базируются на раз-

личных приборах. Что же такое прибор с точки зрения его роли для исследо-

вания? 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 соз-

давать строго определенные условия для их обнаружения, реализации и ре-

гулирования; устройства, позволяющие вместе с тем вести наблюдение и из-

мерение.

Не менее важно при этом выбрать систему отсчета, создать ее специ-

ально в приборе. Под системами отсчета понимают объекты, которые мыс-

ленно принимают за исходные, базисные и физически покоящиеся, непод-

вижные. 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 “лабора-

торной” ту систему отсчета, объект, которые совпадают с местом наблюде-

ния и измерения в пространственно-временном смысле. В самом приборе

система отсчета – это важная часть измерительного устройства, условно про-

градуированная 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 наблюда-

телю на основе знания особенностей применяемого здесь счетного множест-

ва 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, во-

первых, чувствительность к воздействию внешнего измеряемого фактора для

измерения и регулирования условий эксперимента; во-вторых, так называе-

мая “разрешающая способность” — то есть границы точности и поддержания

заданных условий для изучаемого процесса в экспериментальном устройстве.

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 сис-

темам 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 пу-

тем 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 ме-

рой, единицей для измерения веса других химических атомов), это электри-

ческий заряд, так называемое “действие” в механике и в физике (его размер-

ность — энергия × время), Планковский квант действия (в квантовой меха-

нике), 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 — “четырех-

мерный 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 энер-

гии, низкие и сверхнизкие температуры, быстропротекающие процессы и т.п.

Остается важной и проблема точности измерения. Все приборы, применяе-

мые 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, изме-

ряющие температуру тела через измерение энергии излучения; тензометри-

ческие приборы и датчики — давление через электрические процессы в са-

мом приборе; и др.).

2. Усиливающие естественные органы человека, но не меняющие сущ-

ности и природы наблюдаемой и измеряемой характеристики. Таковы опти-

ческие 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 измеритель-

ным устройствам. Таковы рентгеновский аппарат, сцинтилляционные датчи-

ки и т.п.

4. Экспериментальные приборы и устройства, а также их системы,

включающие наблюдательные и измерительные приборы как свою неотъем-

лемую часть. Диапазон таких приборов простирается до размеров гигантских

ускорителей частиц, вроде Серпуховского. В них процессы и объекты разно-

го рода относительно изолированы от среды, они регулируются, управляют-

ся, 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 назначе-

ния (для нас здесь они главное) и, б) массового потребительского назначения.

Прогресс приборостроения — это забота не только ученых, но также конст-

рукторов 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, ма-

шины и ее узлов, любого устройства.

В широко смысле прибор — это не только некоторое искусственное об-

разование, но это и среда, в которой протекает какой-нибудь процесс. В роли

последней может выступать и компьютер. Тогда говорят, что перед нами вы-

числительный 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 живо-

го вообще (в связи с последним существуют экологические проблемы науч-

ного и инженерного эксперимента).

Развитие физики микромира показало, что в своем теоретическом опи-

сании объектов микромира мы в принципе не можем избавиться от влияния

прибора на искомый ответ. Более того, здесь мы в принципе не можем одно-

временно измерять координаты и импульсы микрочастицы и др.; после изме-

рения приходится строить взаимодополнительные описания поведения час-

тицы за счет показаний разных приборов и неодновременных описаний дан-

ных измерений (принципы неопределенностей В.Гейзенберга и принцип до-

полнительности Н.Бора).

Прогресс в приборостроении нередко создает подлинную революцию в

той или иной науке. Классическими являются примеры открытий, сделанны-

ми 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 мно-

го примеров, когда эксперименты не по карману целым немаленьким стра-

нам, и поэтому они идут на научную кооперацию (как ЦЕРН в Швейцарии, в

космических программах и др.).

В ходе развития науки роль приборов нередко искажается, преувеличи-

вается. Так в философии, в связи с особенностями эксперимента в микроми-

ре, о чем говорилось чуть выше, возникла идея, что в этой области все наши

знания целиком приборного происхождения. Прибор, как бы продолжая

субъекта познания, вмешивается в объективный ход событий. Отсюда дела-

ется вывод: все наше знание об объектах микромира субъективно, оно при-

борного происхождения. В итоге в науке XX века возникло целое направле-

ние философии — приборный идеализм или операционализм (П.Бриджмен).

Конечно, последовала ответная критика, но подобная идея встречается среди

ученых до сих пор. Во многом она возникла из-за недооценки теоретического

знания и познания, а также его возможностей.

Прежде чем перейти к нему, отметим: создание приборов и изобретение

новых как для измерений, так и для экспериментов — это издавна особая об-

ласть деятельности ученых и инженеров, требующая огромного опыта и та-

ланта. Сегодня — это также и современная, все более активно развивающая-

ся отрасль производства, торговли и соответствующего маркетинга. Сами

приборы и устройств как продукты технологий, научного и технического

приборостроения, их качество и количество — по сути дела показатель сте-

пени развитости той или иной страны и ее экономики.