2.3. Эксперимент

Важнейшим методом эмпирического познания является эксперимент, который обычно включает в себя наблюдение и измерение, а также непосредственное физическое воздействие на изучаемые объекты. Одной из наиболее характерных особенностей науки Нового времени является широкое использование эксперимента в научном исследовании.

Эксперимент есть непосредственное материальное воздействие на реальный объект или окружающие его условия, производимое с целью познания этого объекта.

В эксперименте можно выделить следующие элементы: 1) цель эксперимента; 2) объект экспериментирования; 3) условия, в которых находится или помещается объект; 4) средства эксперимента; 5) материальное воздействие на объект. Каждый из этих элементов может быть положен в основу классификации экспериментов. Например, эксперименты можно разделять на физические, химические, биологические и т.д. в зависимости от различия объектов экспериментирования. Одна из наиболее простых классификаций основывается на различиях в целях эксперимента.

Целью эксперимента может быть установление каких-либо закономерностей или обнаружение фактов. Эксперименты, производимые с такой целью, называются «поисковыми». Результатом поискового эксперимента является новая информация об изучаемой области. Однако чаще всего эксперимент проводится с целью проверки некоторой гипотезы или теории. Такой эксперимент называется «проверочным». Ясно, что невозможно провести резкой границы между этими двумя видами эксперимента. Один и тот же эксперимент может быть поставлен для проверки гипотезы и в то же время дать неожиданную информацию об изучаемых объектах. Точно так же и результат поискового эксперимента может заставить нас отказаться от принятой гипотезы или, напротив, даст эмпирическое обоснование нашим теоретическим рассуждениям. В современной науке один и тот же эксперимент все чаще обслуживает разные цели.

Эксперимент всегда представляет собой вопрос, обращенный к природе. Но чтобы вопрос был осмысленным и допускал определенный ответ, он должен опираться на предварительное знание об исследуемой области. Это знание дает теория и именно теория ставит тот вопрос, ответ на который должна дать природа. Поэтому эксперимент как вид материальной деятельности всегда связан с теорией. Первоначально вопрос формулируется в языке теории, т.е. в теоретических терминах, обозначающих абстрактные, идеализированные объекты. Чтобы эксперимент мог ответить на вопрос теории, этот вопрос нужно переформулировать в эмпирических терминах, значениями которых являются эмпирические объекты.

Рассмотрим на примере экспериментального открытия светового давления этапы подготовки и проведения эксперимента. Идея о том, что свет производит давление на освещаемые тела, была высказана еще И.Кеплером. В корпускулярной теории света И.Ньютона эта идея получила теоретическое обоснование и развитие: поток корпускул, представляющий собой свет, ударяясь о поверхность тела, должен производить давление. Из волновой теории Х.Гюйгенса также следовало, что световая волна давит на освещаемые тела. Таким образом, теория поставила вопрос о существовании светового давления и предсказала, что ответ на него должен быть положительным. Однако долгое время было неясно, как поставить эксперимент для получения ответа на этот вопрос.

Создатель электромагнитной теории Дж. К. Максвелл вычислил величину светового давления. Согласно теории, сила давления зависит от интенсивности света. Для случая, когда световые лучи образуют параллельный пучок, давление р равняется плотности световой энергии u, т.е. энергии в единице объема. При этом предполагается, что тело, на которое падает свет, является абсолютно черным, т.е. поглощает всю падающую на него световую энергию. Если же коэффициент отражения тела не равен нулю, а имеет некоторое значение g, то давление р = u(I + g). Для идеального зеркала, коэффициент отражения которого равен I, давление р, согласно этой формуле, будет равно 2u. Если интенсивность света, т.е. количество энергии, проходящей через 1 см. за 1 сек., обозначить через J, то плотность лучистой энергии будет равна дроби J:с, где с – скорость света. Подставив вместо u выражение J:с в формулу для вычисления давления, получим соотношение р = (J:с) (I + g). Пользуясь последней формулой, Максвелл вычислил, что сила, с которой солнечные лучи в ясный день давят на 1 м черной поверхности, равна 0,4 мг.

Теоретическая основа эксперимента была подготовлена. Световое давление было представлено в виде измеряемой величины, а вычисленное значение этой величины могло дать представление о тонкости и сложности эксперимента. Однако проблема была сформулирована лишь в теоретических терминах, относящихся к идеализированным объектам и свойствам, с которыми реальное действие невозможно. В расчет Максвелла входили такие понятия, как «абсолютно черное тело», «идеальное зеркало», «интенсивность света» и т.п. Ни наблюдать, ни измерять объекты, обозначенные этими понятиями, было нельзя. Только после того, как русский ученый П.Н.Лебедев придал этим понятиям определенный эмпирический смысл, ему удалось построить прибор для обнаружения и измерения светового давления.

Прибор Лебедева состоял из легкого подвеса на тонкой нити, по краям которой были прикреплены очень тонкие и легкие крылышки. Одно из крылышек было зачернено, а другое оставлено блестящим. Подвес помещался в сосуде, из которого был откачан воздух. Свет от дуговой лампы концентрировался при помощи системы линз и зеркал на одном из крылышек и вызывал закручивание подвеса, которое можно было наблюдать и замерять. Определенная часть светового пучка подавалась на термоэлемент, который служил для измерения величины падающей энергии J. Измерения Лебедевым светового давления с помощью этого прибора дали величину, согласующуюся с предсказанной.

На этом примере можно видеть, каким образом теоретическая задача формулируется как задача экспериментальная. В эксперименте Лебедева световое давление было интерпретировано как наблюдаемое закручивание подвеса, а интенсивность света посредством термоэлемента трансформировалась в тепловое расширение. Цель эксперимента, которая, с точки зрения теории, состояла в обнаружении и измерении светового давления, непосредственно ставилась как обнаружение и измерение закручивания подвеса. Непосредственный результат эксперимента состоял в обосновании эмпирического суждения: «Подвес закручивается». В результате теоретического осмысления наблюдаемого положения дел, выражаемого этим суждением, Лебедев имел возможность сформулировать и такой результат: «Световое давление существует».

При рассмотрении последовательности этапов проведения эксперимента на первое место следует поставить формулировку проблемы, для решения которой ставится эксперимент. В приведенном выше примере проблема формулировалась так: «Существует ли в действительности световое давление и если существует, то какова его величина?». Проблема, ответ на которую должен дать эксперимент, детерминирует и выбор величин, определяемых в ходе эксперимента. В рассмотренном выше случае этими величинами были световое давление и интенсивность света. Сами эти величины не могли быть обнаружены и фиксированы в эксперименте. Для того чтобы войти в экспериментальные процедуры, они предварительно должны быть интерпретированы эмпирически, т.е. представлены в виде некоторых других величин, которые можно наблюдать и измерять.

Первый этап – выбор эмпирической интерпретации теоретических величин – очень важен при подготовке эксперимента. Только после этого наши теоретические построения и расчеты приобретают эмпирический смысл, а сам эксперимент становится принципиально возможным. В эксперименте Лебедева световое давление эмпирически было представлено как закручивание подвеса, а интенсивность света – как тепловое расширение в термоэлементе. Закручивание подвеса и тепловое расширение можно было наблюдать и измерять непосредственно.

Второй этап в проведении эксперимента – выбор условий и используемых приборов – определяется эмпирической интерпретацией теоретических величин. Если мы хотим, чтобы световое давление было представлено как закручивание подвеса, то мы должны обеспечить создание таких условий, чтобы это закручивание не могло быть вызвано никакими другими факторами. В эксперименте Лебедева трудность состояла в том, что силы светового давления очень малы, и их действие легко перекрывалось рядом других факторов. Среди них наиболее существенными были конвекционные токи воздуха и радиометрические силы. Когда подвес был окружен воздухом, движение воздушных потоков могло закручивать его. Чтобы устранить или хотя бы ослабить действие этого фактора, Лебедев поместил подвес в стеклянный баллон, из которого воздух можно было откачать. Радиометрический эффект заключается в том, что освещенная сторона пластинки нагревается сильнее неосвещенной стороны, и противоположные стороны испытывают неодинаковое давление газа, что может также вызвать закручивание подвеса. Чтобы избежать этого, крылышки приходилось делать как можно более тонкими. Трудности, связанные с исключением всех побочных эффектов, были в данном случае столь велики, что на их преодоление у Лебедева ушло более трех лет.

После того, как выбраны условия эксперимента и исключено влияние всех побочных факторов, наступает третий этап: воздействие на объект, наблюдение его поведения и измерение контролируемых величин. Этот этап можно назвать решающим в проведении эксперимента. Именно для него проводится вся подготовительная работа, и именно на этом этапе мы получаем ответ на вопрос теории, обращенный к природе. В эксперименте Лебедева ответ был положительным, а в эксперименте Майкельсона, например, природа ответила: «Нет!», хотя уверенность в существовании эфира была ничуть не меньшей, чем уверенность в существовании светового давления.

Последний, четвертый, этап в проведении эксперимента заключается в обработке полученных данных, их теоретическом осмыслении и включении в науку. Закручивание подвеса, наблюдавшееся в эксперименте, истолковывается как вызванное световым давлением. Отсюда делается вывод, что давление света действительно существует, и утверждение об этом включается в теорию как получившее экспериментальное обоснование.

Рассмотрение структуры и этапов проведения эксперимента позволяет дать обоснованный ответ на вопрос о соотношении теории и эксперимента. Эксперимент, как легко заметить из сказанного выше, отнюдь не противопоставлен теории и не выступает как нечто, находящееся целиком вне теории. Эксперимент неотделим от теории, ибо существенно зависит от нее. Как человеческий глаз для того, чтобы служить органом зрения, должен соединяться с мозгом в единую функциональную систему, так и эксперимент, для того чтобы служить средством получения знания, должен соединяться в единую систему с теорией. Роль теории в создании эксперимента особенно ярко проявляется в существовании такой формы познания, как мысленный эксперимент, т.е. мысленное представление операций с мысленно представимыми объектами. Вообще всякий эксперимент при его обдумывании и планировании выступает вначале как мысленный эксперимент. Но если обычный (материальный) эксперимент обязательно включает в себя материальную деятельность с реальными вещами и процессами, что заставляет нас при планировании эксперимента рассчитывать на реальные приборы, реальные окружающие условия и конкретную эмпирическую интерпретацию теоретических понятий, то мысленный эксперимент отличается тем, что один из этапов его проведения – реальное воздействие на реальный объект – отсутствует. Это позволяет нам включать в эксперимент идеализированные объекты, идеальные приборы и идеальные условия. Такого рода эксперимент целиком находится внутри теории, и его отличие от обычного теоретического рассуждения заключается лишь в том, что он опирается на наглядные образы и представления.

Однако следует подчеркнуть, что наблюдение, измерение и эксперимент, хотя и тесно связаны с теоретическими соображениями, являются разновидностью практической деятельности. Осуществляя рассмотренные эмпирические процедуры, мы выходим за рамки чисто логических рассуждений и обращаемся к материальному действию с реальными вещами. В конечном итоге только через посредство такого действия получают подтверждение или опровержение наши представления о действительности. В эмпирических познавательных процедурах наука вступает в непосредственный контакт с отображаемой ею действительностью – именно в этом заключается громадное значение наблюдения, измерения и эксперимента для научного познания.