Основу развития современных естественных наук составляет специфическая научная методология. В основу научной методологии положен опыт — основанное на практике чувственно-эмпирическое познание действительности. Под практикой подразумевается предметная человеческая деятельность, направленная на достижение материальных результатов.

В процессе своего развития классическое естествознание выработало специфический вид практики, получивший название “научный эксперимент”. Научный эксперимент — это также предметная деятельность людей, но направленная уже на проверку научных положений. Считается, что научное положение соответствует истине, если оно подтверждается опытом, практикой или научным экспериментом.

Кроме взаимодействия с экспериментом при разработке научных теорий иногда используют и чисто логические критерии: внутреннюю непротиворечивость, соображения симметрии и даже столь неопределенные соображения, как “красота” гипотезы. Однако окончательными судьями научной теории всегда остаются практика и эксперимент.

В качестве примера “красивой” гипотезы приведу гипотезу американского физика Фейнмана о тождественности элементарных частиц. Дело в том, что они обладают совершенно фантастическим свойством. Элементарные частицы одного вида, например, электроны — неразличимы. Если в системе находятся два электрона и один из них был удален, то мы никогда не сумеем определить, какой из них удалили, а какой остался. Чтобы объяснить такую неразличимость, Фейнман предположил, что в мире существует только один электрон, который может двигаться во времени взад-вперед. В каждый отдельный момент времени мы воспринимаем этот один электрон как множество электронов, которые, естественно, являются неразличимыми. Ведь это на самом деле один и тот же электрон. Не правда ли красивая гипотеза? Недурно было бы и вам суметь придумать что-нибудь подобное, но уже в области экономики.

Этапы решения научной задачи

Взаимодействие с опытом потребовало от науки разработки специфического механизма трактовки экспериментальных данных. Он заключается в применении к этим данным идеализации и абстрагирования.

Сущность идеализации состоит в отбрасывании сторон изучаемого явления, несущественных для ее решения.

Стороной явления или предмета называется присущее ему свойство, которое может быть, а может и не быть. Например, ручка пожарного топорика может быть покрашена в красный цвет, а может и не быть покрашена. Топорик при этом остальных своих свойств не изменит.

Стороны явления могут быть более или менее существенны в данном отношении. Так, цвет ручки топорика не играет никакой роли применительно к его основному назначению — рубке древесины. В то же время наличие яркого цвета существенно при поиске топорика в экстремальной ситуации. С эстетической же точки зрения использование ярко-красного цвета для окрашивания инструмента может показаться безвкусным. Таким образом, в процессе идеализации стороны явления всегда должны оцениваться в данном конкретном отношении.

В процессе идеализации стороны явления, несущественные в рассматриваемом отношении, отбрасываются. Оставшиеся существенные стороны подвергаются процессу абстрагирования.

Абстрагирование заключается в переходе от качественной оценки рассматриваемых сторон к количественной.

Качественные соотношения при этом облекаются в “одежду” математических соотношений. Обычно при этом привлекаются вспомогательные количественные характеристики и применяются известные законы, которым подчиняются эти характеристики. Процесс абстрагирования приводит к созданию математической модели изучаемого процесса.

Например, из окна шестого этажа дома новостройки падает коричневый боксерский мешок массой 80 кг и стоимостью 55 условных единиц. Требуется определить количество тепла, выделившееся в момент его соприкосновения с асфальтом.

Для решения поставленной задачи следует прежде всего произвести идеализацию. Так, стоимость мешка и его цвет — стороны несущественные в отношении решаемой задачи. При падении со сравнительно небольшой высоты трением о воздух также можно пренебречь. Поэтому форма и размер мешка оказываются несущественными применительно к данной задаче. Следовательно, при рассмотрении процесса падения к мешку можно применить модель материальной точки (Материальной точкой называют тело, формой и размерами которого можно пренебречь в условиях данной задачи).

Процесс абстрагирования дает высоту окна шестого этажа новостройки, примерно равной 15 м. Если считать, что процесс взаимодействия мешка с асфальтом подчиняется основным законам теории теплоты, то для определения количества тепла, выделившегося при его падении, достаточно найти кинетическую энергию этого мешка в момент соприкосновения с асфальтом. Окончательно задача может быть сформулирована следующим образом: найти кинетическую энергию, которую приобретет материальная точка массы 80 кг при падении с высоты 15 м. Помимо законов термодинамики в процессе абстрагирования используется еще и закон сохранения полной механической энергии. Расчет, использующий эти законы, приведет к решению поставленной задачи.

Совокупность математических соотношений, позволяющих решить задачу, представляет собой математическую модель решения.

Здесь следует отметить, что идеализация, по существу своему основанная на отбрасывании несущественных сторон явления, неизбежно приводит к некоторой потере информации об описываемом процессе. Парадигма узаконивает идеализацию и делает ее как бы само собой подразумевающейся. Поэтому под влиянием парадигмы идеализацию часто используют даже в тех случаях, когда она неоправданна, что, безусловно, приводит к ошибкам. Для того чтобы избежать таких ошибок, академик А. С. Предводителев предложил принцип двойственности. Принцип двойственности предписывает нам производить рассмотрение любой проблемы с двух альтернативных точек зрения, отбрасывая в процессе идеализации различные ее стороны. При таком подходе потери информации можно избежать.

Феноменологический и модельный методы

Имеются два вида взаимодействия научной теории с опытом: феноменологический и модельный.

Название феноменологического метода происходит от греческого слова “феномен”, что означает явление. Это метод эмпирический, т. е. основанный на эксперименте.

Предварительно задача должна быть поставлена. Это означает, что должны быть точно сформулированы начальные условия и цель решаемой задачи.

После этого метод предписывает для ее решения предпринимать следующие шаги:
  1. Накопление экспериментальных материалов.
  2. Обработка, систематизация и обобщение этих материалов.
  3. Установление соотношений и, как следствие, возможных связей между величинами, полученными в результате обработки. Эти соотношения составляют эмпирические закономерности.
  4. Получение на базе эмпирических закономерностей прогнозов, предсказывающих возможные результаты экспериментальной проверки.
  5. Экспериментальная проверка и сравнение ее результатов с предсказанными.

Если предсказанные данные и результаты проверки всегда совпадают с удовлетворительной степенью точности, то закономерность получает статус естественнонаучного закона.

Если же такое совпадение не достигнуто, то процедура повторяется, начиная с шага 1.

Феноменологическая теория обычно является обобщением экспериментальных результатов. Появление эксперимента, противоречащего этой теории, приводит к уточнению области ее применимости или к внесению уточнений в саму теорию. Таким образом, чем больше опровержений появляется у феноменологической теории, тем точнее она становится.

Примерами феноменологических теорий могут служить классическая термодинамика, феноменологические соотношения, относящиеся к области физической и химической кинетики, законы диффузии, теплопроводности и т. п.

Модельные теории используют дедуктивный метод. По-видимому, впервые научные обоснования этого метода были даны известным французским философом Рене Декартом. Обоснование дедуктивного метода содержится в его знаменитом трактате “О методе”.

Создание модельной теории начинается с выдвижения научной гипотезы — предположения, касающегося существа исследуемого явления. На основании гипотезы путем абстрагирования создается математическая модель, воспроизводящая основные закономерности исследуемого явления при помощи математических соотношений. Следствия, полученные из этих соотношений, сравниваются с экспериментом. Если эксперимент подтверждает результаты теоретических расчетов, сделанных на основе данной модели, то она считается правильной. Появление экспериментального опровержения приводит к отбрасыванию гипотезы и выдвижению новой.

Примером модельной теории может служить классическое описание дисперсии света. Оно основано на выдвинутом Дж. Томсоном представлении об атоме, как о сгустке положительного заряда, в который, как семечки в арбуз, вкраплены отрицательные электроны. Классическая теория дисперсии дает неплохое качественное соответствие с экспериментом. Однако уже опыты Резерфорда по определению структуры атома показали несостоятельность основной гипотезы и привели к полному отбрасыванию классической теории дисперсии.

Модельные теории на первый взгляд кажутся менее привлекательными, чем феноменологические. Тем не менее именно они позволяют глубже понять внутренние механизмы рассматриваемых явлений. Нередко модельные теории подвергаются уточнению и продолжают существовать в новом качестве. Так, для объяснения природы ядерных сил отечественные ученые Иваненко и Тамм выдвинули гипотезу, согласно которой взаимодействие ядерных частиц происходит за счет того, что они обмениваются электронами. Опыт показал, что характеристики электронов не соответствуют требуемому масштабу взаимодействия. Несколько позже, опираясь на модель Иваненко и Тамма, японец Юкава предположил, что ядерное взаимодействие осуществляется частицами, имеющими характеристики, сходные с характеристиками электронов, а массу приблизительно в двести раз большую. Впоследствии частицы, описанные Юкавой, были обнаружены экспериментально. Их называют мезонами.

Измерения — фундамент научной истины

Научный эксперимент требует получения точных количественных результатов. Для этого используют измерения. Измерения изучает специальная отрасль науки — метрология.

Измерения бывают прямыми и косвенными. Результаты прямого измерения получаются непосредственно, обычно путем отсчета со шкал и индикаторов измерительных приборов. Результаты косвенных измерений получают при помощи расчетов с использованием результатов прямых измерений.

Так, чтобы измерить объем прямоугольного параллелепипеда, следует измерить его длину, ширину и высоту. Это прямые измерения. Затем полученные измерения следует перемножить. Полученный в результате объем является уже результатом косвенного измерения, так как получен в результате вычисления на основе прямых измерений.

Измерение подразумевает сравнение двух или более объектов. Для этого объекты должны быть однородными в отношении критерия сравнения. Так, если вы хотите измерить количество студентов, пришедших на молодежный форум, то вам необходимо выделить из собравшихся всех тех, кто является студентом (критерий сравнения) и подсчитать их. Остальные их качества (пол, возраст, цвет волос) могут при этом быть произвольными. Однородность объектов в данном случае означает, что вы не должны брать в расчет слесарей, если они не являются студентами.

Техника измерений определяется объектами измерения. Однотипные объекты измерения составляют множество. Можно говорить, например, о множестве длин или множестве масс.

Для проведения измерений необходимо иметь меру на множестве измеряемых объектов и измерительный прибор. Так, мерой для множества длин является метр, а прибором может служить обыкновенная линейка. На множестве масс в качестве меры принят один килограмм. Измеряют массу чаще всего при помощи весов.

Множество измеряемых объектов подразделяются на непрерывные и дискретные.

Множество считается непрерывным, если для любых двух его элементов всегда можно найти третий, лежащий между ними. Все точки числовой оси составляют непрерывное множество. Для дискретного множества всегда можно найти два элемента, между которыми нет третьего. Например, множество всех натуральных чисел является дискретным.

Между непрерывными и дискретными множествами существует принципиальное различие. Дискретное множество содержит свою внутреннюю меру внутри себя. Поэтому для проведения измерений на дискретном множестве достаточно простого счета. Например, для того, чтобы найти расстояние между точками 1 и 10 натурального ряда, достаточно просто сосчитать количество чисел от одного до десяти.

Непрерывные множества внутренней меры не имеют. Ее приходится привносить извне. Для этого используют эталон измерения. Типичным примером измерения на непрерывном множестве является измерение длины. Для измерения длины используется стандартный прямолинейный отрезок длиной в один метр, с которым и сравнивается измеряемая длина.

Здесь следует заметить, что на протяжении практически всего времени развития современной техники измерение различных физических величин стремились свести к измерению длины. Так, измерение времени сводилось к измерению расстояния, пройденного стрелкой часов. Мерой угла в технике служит отношение длины дуги, стягиваемой углом, к длине радиуса этой дуги. Величины, измеряемые стрелочными приборами, определяются по расстоянию, пройденному стрелкой прибора. Изучая технику физико-химических измерений, невольно изумляешься тем ухищрениям, к которым прибегали ученые для того, чтобы свести измерение какой-нибудь величины к измерению длины.

Примерно в середине XX столетия в связи с созданием электронных пересчетных устройств была разработана принципиально новая методика измерения, получившая название цифровой. Суть цифровой методики заключается в том, что непрерывная измеряемая величина превращается в дискретную при помощи специально подобранных пороговых устройств. На полученном дискретном множестве измерение сводится к простому счету, осуществляемому пересчетной схемой.

Цифровое измерительное устройство содержит внутри себя аналого-цифровой преобразователь (АЦП), счетно-логическое устройство и индикатор. Основу аналого-цифрового преобразователя составляют дискретизатор, компаратор и сумматор. Дискретизатор — это устройство, способное создавать сигналы, имеющие фиксированные уровни. Разность этих уровней всегда равна наименьшему из них и называется интервалом дискретизации. Компаратор сравнивает измеряемый сигнал с первым интервалом дискретизации. Если сигнал оказался меньше, то на индикаторе отображается ноль. Если первый уровень дискретизации превышен, то сигнал сравнивается со вторым, а в сумматор посылается единица. Этот процесс продолжается до тех пор, пока уровень сигнала не будет превышен уровнем дискретизации. В сумматоре при этом окажется количество уровней дискретизации меньших или равных величине измеряемого сигнала. На индикатор выводится значение сумматора, умноженное на величину интервала дискретизации.

Так, например, работают цифровые часы. Специальный генератор формирует импульсы со строго стабилизированным периодом. Подсчет количества этих импульсов и дает величину измеряемого временного интервала.

Примеры подобной дискретизации несложно найти и в быту. Так, расстояние, пройденное вдоль дороги, можно было определить по телеграфным столбам. В Советском Союзе телеграфные столбы устанавливались через 25 м. Сосчитав количество столбов и умножив его на 25, можно было определить пройденное расстояние. Ошибка при этом составляла 25 м (интервал дискретизации).

Надежность и точность измерения

Основными характеристиками измерения являются его точность и надежность. Для непрерывных множеств точность определяется точностью изготовления эталона и возможными погрешностями, возникающими в процессе измерения. Скажем, при измерении длины эталоном может служить обычная масштабная линейка, а может и специальный инструмент — штангенциркуль. Длины различных линеек могут отличаться не более чем на 1 мм. Штангенциркули изготовляются так, что их длины могут различаться не более чем на 0,1 мм. Соответственно точность измерения масштабной линейкой не превышает 1 мм, а точность штангенциркуля в 10 раз выше.

Минимально возможная погрешность, возникающая при измерении данным прибором, составляет его класс точности. Обычно класс точности прибора указывают на его шкале. Если такое указание отсутствует, в качестве класса точности принимают минимальную цену деления прибора. Погрешности измерения, определяемые классом точности измерительного прибора, называют приборными.

Пусть результат измерения рассчитывается по формуле с привлечением прямых измерений, проводимых различными приборами, т. е. измерение является косвенным. Погрешность, связанная с ограниченной точностью этих приборов, называется ошибкой метода. Ошибка метода — это минимальная погрешность, которая может быть допущена при измерении по данной методике.

При измерении на дискретных множествах ошибки, определяемые точностью прибора, как правило, отсутствуют. Измерение на таких множествах сводится к простому счету. Поэтому точность измерения определяется точностью счета. Измерение на дискретном множестве в принципе может быть сделано абсолютно точным. На практике для подобных измерений используют механические или электронные счетчики (сумматоры). Точность таких сумматоров определяется их разрядной сеткой. Количество разрядов сумматора определяет максимальное число, которое может быть им отображено. При превышении этого числа сумматор “перескакивает” через нуль. Очевидно, что в этом случае будет выдано ошибочное значение.

Для цифровых измерений точность определяется погрешностями дискретизации и разрядной сеткой используемого в этом измерении сумматора.

Надежность полученных в результате измерения результатов показывает, насколько мы можем доверять полученным результатам. Надежность и точность связаны между собой так, что при возрастании точности надежность убывает и, наоборот, при возрастании надежности убывает точность. Например, если вам скажут, что длина измеряемого отрезка лежит между нулем и бесконечностью, то это утверждение будет обладать абсолютной надежностью. Говорить о точности в этом случае вообще не приходится. Если же определенное значение длины будет названо точно, то это утверждение будет обладать нулевой надежностью. Из-за погрешностей измерения указать можно только интервал, внутри которого, возможно, лежит измеряемая величина.

На практике стремятся проводить измерение так, чтобы и точность измерения, и его надежность удовлетворяли требованиям решаемой задачи. В математике такое согласование величин, ведущих себя противоположным образом, называют оптимизацией. Задачи оптимизации характерны для экономики. Например, вы, пойдя на рынок, стараетесь приобрести максимальное количество товара, затратив при этом минимум средств.

Помимо ошибок, связанных с классом точности измерительного прибора, в процессе измерения могут допускаться и другие погрешности, обусловленные ограниченными возможностями измеряющего. В качестве примера можно привести ошибку, связанную с параллаксом. Она возникает при измерении линейкой, если луч зрения ориентирован под углом к шкале линейки.

Помимо приборных и случайных ошибок в метрологии принято выделять систематические погрешности и грубые промахи. Систематические погрешности проявляются в том, что к измеряемой величине прибавляется регулярное смещение. Часто они бывают связаны со смещением начала отсчета. Для того чтобы компенсировать эти ошибки, большинство стрелочных приборов снабжают специальным корректором нуля. Грубые промахи появляются в результате невнимательности измеряющего. Обычно грубые промахи резко выделяются из ряда измеренных значений. Общая теория метрологии позволяет не рассматривать до 30% значений, предположительно являющихся грубыми промахами.


Смежные предметы