15.3.2. Эксперимент

Эксперимент – более сложный метод эмпирического познания по сравнению с наблюдением. Он предполагает активное, целенаправленное и строго контролируемое воздействие исследователя на изучаемый объект для выявления и изучения тех или иных его сторон, свойств, связей. При этом экспериментатор может преобразовывать исследуемый объект, создавать искусственные условия его изучения, вмешиваться в естественное течение процессов.

Эксперимент включает в себя другие методы эмпирического исследования (наблюдения, измерения). В то же время он обладает рядом важных, присущих только ему особенностей.

Во-первых, эксперимент позволяет изучать объект в «чистом» виде, т.е. устранять всякого рода побочные факторы, наслоения, затрудняющие процесс исследования. Например, проведение некоторых экспериментов требует специально оборудованных помещений, защищенных (экранированных) от внешних электромагнитных воздействий на изучаемый объект.

Во-вторых, в ходе эксперимента объект может быть поставлен в некоторые искусственные, в частности, экстремальные условия, т.е. изучаться при сверхнизких температурах, при чрезвычайно высоких давлениях или, наоборот, в вакууме, при огромных напряженностях электромагнитного поля и т.п. В таких искусственно созданных условиях удается обнаружить удивительные, порой неожиданные свойства объектов и тем самым глубже постигать их сущность. Очень интересными и многообещающими являются в этом плане космические эксперименты, позволяющие изучать объекты, явления в таких особых, необычных условиях (невесомость, глубокий вакуум), которые недостижимы в земных лабораториях.

В-третьих, изучая какой–либо процесс, экспериментатор может вмешиваться в него, активно влиять на его протекание. Как отмечал академик И.П.Павлов, «опыт как бы берет явления в свои руки и пускает в ход то одно, то другое и таким образом в искусственных, упрощенных комбинациях определяет истинную связь между явлениями. Иначе говоря, наблюдение собирает то, что ему предлагает природа, опыт же берет у природы то, что хочет».¹

В-четвертых, важным достоинством многих экспериментов является их воспроизводимость. Это означает, что условия эксперимента (а соответственно и проводимые при этом наблюдения, измерения) могут быть повторены столько раз, сколько это необходимо для получения достоверных результатов.

Однако с наступлением эпохи постнеклассической науки представления о воспроизводимости экспериментов (а соответственно и о стратегиях эмпирического исследования) существенно изменились. Дело в том, что «идеал воспроизводимости эксперимента применительно к развивающимся системам должен пониматься в особом смысле… Существуют уникальные исторически развивающиеся системы. Эксперимент, основанный на энергетическом и силовом взаимодействии с такой системой, в принципе не позволит воспроизводить ее в одном и том же начальном состоянии. Сам акт первичного «приготовления» этого состояния меняет систему, направляя ее в новое русло развития, а необратимость процессов развития не позволяет вновь воссоздать начальное состояние. Поэтому для уникальных развивающихся систем требуется особая стратегия экспериментального исследования. Их эмпирический анализ осуществляется чаще всего методом вычислительного эксперимента на ЭВМ, что позволяет выявить разнообразие возможных структур, которые способна породить система».¹

Подготовка и проведение эксперимента требуют соблюдения ряда условий. Так, научный эксперимент:

-никогда не ставится «наобум», он предполагает наличие четко сформулированной цели исследования;

-не делается «вслепую», он всегда базируется на каких–то исходных теоретических положениях;

-не проводится беспланово, хаотически, исследователь предварительно намечает пути его проведения;

-требует определенного уровня развития технических средств по-

знания, необходимого для его реализации;

-должен проводиться людьми, имеющими достаточно высокую квалификацию.

Только совокупность всех этих условий определяет успех в экспериментальных исследованиях.

В зависимости от характера проблем, решаемых в ходе экспериментов, последние обычно подразделяются на исследовательские и проверочные.

Исследовательские эксперименты дают возможность обнаружить у объекта новые, неизвестные свойства. Результатом такого эксперимента могут быть выводы, не вытекающие из имевшихся знаний об объекте исследования. Примером могут служить эксперименты, поставленные в лаборатории Э.Резерфорда, в ходе которых обнаружилось странное поведение альфа-частиц при бомбардировке ими золотой фольги: большинство частиц проходило сквозь фольгу, небольшое количество частиц отклонялось и рассеивалось, а некоторые частицы не просто отклонялись, а отскакивали обратно, как мяч от сетки. Такая экспериментальная картина, согласно расчетам, получалась в силу того, что вся масса атома сосредоточена в ядре, занимающем ничтожную часть его объема (отскакивали обратно альфа-частицы, соударявшиеся с ядром). Так исследовательский эксперимент, проведенный Резерфордом и его сотрудниками, привел к обнаружению ядра атома, а тем самым и к рождению ядерной физики.

Проверочные эксперименты служат для проверки, подтверждения тех или иных теоретических построений. Так, существование целого ряда элементарных частиц (позитрона, нейтрино и др.) было вначале предсказано теоретически, и лишь позднее они были обнаружены экспериментальным путем.

Проникновение человеческого познания в микромир потребовало проведения экспериментальных исследований, в которых нельзя было пренебречь воздействием прибора на изучаемый объект. С началом ХХ века это становится одной из характерных черт нового, неклассического естествознания. В отличие от прежней классической науки, в новых условиях исследования потребовался четкий учет особенностей технических средств наблюдения и эксперимента, которые взаимодействуют с объектом (точнее сказать, микрообъектом) познания.

Исходя из методики проведения и получаемых результатов, эксперименты можно разделить на качественные и количественные.

Качественные эксперименты носят поисковый характер и не приводят к получению каких–либо количественных соотношений. Они позволяют лишь выявить действие тех или иных факторов на изучаемое явление.

Количественные эксперименты направлены на установление точных количественных зависимостей в исследуемом явлении. В реальной практике экспериментального исследования оба указанных типа экспериментов реализуются, как правило, в виде последовательных этапов развития познания.

Как известно, связь между электрическими и магнитными явлениями была впервые открыта датским физиком Эрстедом в результате чисто качественного эксперимента (поместив магнитную стрелку компаса рядом с проводником, через который пропускался электрический ток, он обнаружил, что стрелка отклоняется от первоначального положения). После опубликования Эрстедом своего открытия последовали количественные эксперименты французских ученых Био и Савара, а также опыты Ампера, на основе которых была выведена соответствующая математическая формула. Все эти качественные и количественные эмпирические исследования заложили основы учения об электромагнетизме.

В зависимости от области научного знания, в которой используется экспериментальный метод исследования, различают естественнонаучный и прикладной (в технических науках, сельскохозяйственной науке и т.д.) эксперименты.

В конце XIX века, например, два видных ученых Г. Герц и А. С. Попов занимались экспериментальным изучением электромагнитных колебаний. Но Герц ставил перед собой лишь задачу экспериментальной проверки теоретических построений Максвелла. Практическое применение электромагнитных колебаний его не интересовало. Поэтому эксперименты Герца, в ходе которых были получены электромагнитные волны, предсказанные теорией Максвелла, следует рассматривать как естественнонаучные. Что же касается экспериментов А.С.Попова, то они с самого начала имели четкую прикладную направленность (как практически использовать «волны Герца»?) и были экспериментами в области зарождающейся прикладной науки – радиотехники.

Существует мнение, что эксперимент является лишь техническим воплощением замысла ученого-теоретика. При этом ссылаются на совершенствование и усложнение техники эксперимента, увеличение точности измерений и т.д. Действительно, история многих крупных открытий неразрывно связана с историей развития экспериментальной техники, методики проведения экспериментальных исследований. Например, аномальный магнитный момент электрона, играющий большую роль в квантовой электродинамике и при изучении свойств элементарных частиц, был открыт благодаря технике использования молекулярных пучков (интересно отметить, что эта техника была изобретена не для этой цели). Однако в ходе опытов появилось неожиданное расхождение с теорией. Это позволило сделать открытие, которое никто не предвидел. Как справедливо заметил известный американский физик Р.Фейнман, «один из верных способов остановить прогресс науки – это разрешить эксперименты лишь в тех областях, где законы уже открыты. Но экспериментаторы усерднее всего ведут поиск там, где вероятнее всего найти опровержение наших теорий».¹

Экспериментатор задается целью решить некоторую задачу, причем, зачастую в области, где еще не создана соответствующая теория. Это требует от него не только высокого технического мастерства, но и опоры на всю мощь теоретической мысли, особого дара наблюдательности (позволяющего выделять детали, ускользающие от внимания других людей), способности мысленно отвлекаться от непосредственного поля наблюдения, проводить различные аналогии и делать (порой неожиданные) сопоставления, умения создавать оригинальные экспериментальные ситуации и т.д. Разработка многих экспериментов свидетельствует, что только сочетание всех этих компонентов научного творчества может направлять ученого по правильному пути.

Завершая рассмотрение экспериментального метода исследования, следует упомянуть об очень важной проблеме планирования эксперимента. Еще в первой половине ХХ столетия все экспериментальные исследования сводились к проведению так называемого однофакторного эксперимента, когда изменялся какой–то один фактор исследуемого процесса, а все остальные оставались неизменными. Но развитие науки настойчиво требовало исследования процессов, зависящих от множества меняющихся факторов. Использование в этом случае методики однофакторного эксперимента было бессмысленным, ибо требовало астрономического количества опытов.

Достигнутые успехи в теоретической разработке и практическом применении планирования эксперимента в научных исследованиях привели к появлению новой дисциплины – математической теории эксперимента. Эта теория направлена на решение задачи получения достоверного результата экспериментального исследования с минимальными затратами труда, времени и средств. В итоге достигается оптимизация работы экспериментатора при одновременном обеспечении высокого качества экспериментальных исследований. А «высокое качество эксперимента, – как подчеркивал академик П.Л.Капица, – является необходимым условием здорового развития науки».¹