Сущность измерения - необходимого метода при проведении экспериментов

Сущность измерения - необходимого метода при проведении экспериментов. Измерением называют процесс представления свойств реальных объектов в виде числовой величины.

В самом общем виде величиной можно назвать все то, что может быть больше или меньше, что может быть присуще объекту в большей или меньшей степени числовая величина - такая, которая может быть выражена числом.

Таким образом, измерение есть установление числового соотношения между свойствами объектов. Измерение - новая ступень в развитии эмпирического познания. Переход от наблюдения к измерению требует новых приборов и инструментов, а также новых понятии и предположении. Результаты наблюдения обычно выражаются с помощью качественных и сравнительных понятии.

Качественные понятия - такие, как теплый, зеленый, большой обозначают некоторые классы, и, приписывая предмету свойство, выражаемое качественным понятием, мы тем самым включаем этот предмет в определенный класс. Когда мы приступаем к исследованию некоторой новой области явлений, то начинаем с формулирования качественных понятий, с помощью которых проводим классификацию предметов исследуемой области, опираясь на наблюдение. После образования качественных понятий и разбиения всех предметов на классы, мы можем установить некоторые соотношения между классами однородных предметов с помощью сравнительных понятий, таких, как больше, теплее, легче и т. п. Сравнительные понятия выражают сравнительную степень интенсивности свойства.

В силу этого упорядочивают все предметы исследуемой области в последовательность. Например, с помощью понятий тяжелее, легче, равный по весу мы можем все предметы расположить в последовательность классов, таких, что в один класс попадут предметы, равные по весу, предметы каждого предшествующего класса будут легче предметов последующего класса и предметы последующего - тяжелее предметов предыдущего. Количественные понятия численно выражают степень интенсивности некоторого свойства.

Если с помощью сравнительных понятий упорядочиваются все предметы изучаемой области по степеням интенсивности некоторого присущего им свойства, то с помощью количественных понятий приписываются определенные числа степеням интенсивности интересующего нас свойства.

Пусть, например, у нас есть последовательность, в которой последующий класс содержит более тяжелые предметы, чем предметы предшествующего класса деревянные - железные - серебряные - золотые. Мы можем приписать этим классам некоторые числа 10 - 15 - 20 - 25. После этого у нас появляется возможность выражать свойство быть тяжелее легче числом, т. е. измерять его. Именно так действительно измеряется твердость минералов один минерал считается более твердым, чем другой, если он может оставить царапину на этом втором минерале. Все минералы располагаются в последовательность, в которой каждый следующий является более твердым, чем предшествующий.

Алмазу - самому твердому минералу - приписано число 10 остальным - тем меньшее число, чем дальше отстоит минерал от алмаза в данной последовательности. Измерение описанного вида, опирающееся на сравнительные понятия, еще не вполне совершенно, так как у нас здесь еще нет собственно количественных понятий, и числа, приписываемые нами свойствам объектов, выбираются достаточно произвольно.

Однако сравнительные понятия могут послужить основой для формирования количественного понятия на базе точных количественных методов исследования. Это оказывается возможным лишь на основе более глубокого познания сущности изучаемых явлений и уточнения гносеологических и теоретических предположений относительной изучаемой области. Рассмотрим в качестве примера формирование понятия температуры т. е. количественного понятия теплоты. В разговорном языке мы находим качественные понятия теплый, холодный и сравнительные понятия - теплее, холоднее. Этих понятий нам достаточно для классификации предметов повседневной жизни.

Однако применить какую-либо количественную оценку теплоты без исследования физических причин и связей этого явления с другими явлениями представляется невозможным, и высказывание Один предмет в три раза теплее другого кажется столь же странным, как и высказывание Небо в Италии в три раза голубее, чем в России. Во времена Герона Александрийского было замечено, что воздух расширяется, когда становится более теплым.

Связь состояний теплее и больше по объему могла привести к мысли о том, чтобы сделать изменение объема тела наглядным представителем его нагретости. Галилей, изучая сочинения Герона, действительно пришел к этой мысли и для ее осуществления создал термоскоп - прибор, показывающий изменение состояния нагретости.

Термоскоп состоял из трубки с шариком на конце, в которой находился воздух. Открытый конец трубки помещался в жидкость. Столбик жидкости в трубке опускался, когда воздух в шарике становился теплее, и поднимался, когда воздух охлаждался, и его объем становился меньше. Термоскоп Галилея еще не позволяет ввести количественное понятие температуры. Этот прибор служит лишь для наглядной фиксации состояний теплее - холоднее. Если раньше при фиксации этих состояний мы могли полагаться только на свои субъективные ощущения, то теперь, используя термоскоп, мы передаем эту функцию объективному процессу изменения объема.

Первым настоящим термометром был прибор, изготовленный членами Флорентийской Академии опыта. Этот прибор отличался от термоскопа Галилея двумя существенными особенностями. В нем было исключено влияние атмосферного давления, которое в термоскопе наряду с теплом также вызывало колебания уровня жидкости в трубке, и термометр, таким образом, был полностью отделен от барометра.

И, что еще более существенно, в приборе флорентийских академиков была шкала. В основу этой шкалы были положены две постоянные точки, соответствовавшие наиболее низкой и наиболее высокой температуре, наблюдавшейся в Тоскане. Теплота, являющаяся выражением кинетической энергии молекул тела, не могла быть зафиксирована непосредственно. Ее наглядным представителем становится объем тела. Увеличение и уменьшение объема тела, в свою очередь, представляют как линейное перемещение столбика жидкости.

Последнее вполне может быть измерено с помощью обыкновенной линейки. Таким образом, измерение состояний тепла редуцируется как измерение длины столбика жидкости, и метрическое понятие температуры возникает как интерпретация теплоты в линейных мерах. Дальнейшая работа состояла лишь в усовершенствовании шкалы, в нахождении постоянной точки отсчета и подходящей жидкости, расширение которой фиксируется по шкале. Эта работа была проделана Фаренгейтом, Реомюром и Цельсием, которые придали термометру его современный вид. Нетрудно видеть, что при введении количественного понятия температуры используются различные предположения теоретического характера что температура тела связана с его объемом что объем тела изменяется прямо пропорционально изменению степени нагретости тела что базисные точки шкалы соответствуют некоторой постоянной температуре и т. п. В настоящее время количественные понятия часто вводятся на основе теории как теоретические понятия отображающие свойства идеализированных объектов. Когда мы строим теорию относительно некоторой области явлений, то объектом теории является непосредственно не сама реальная область, а абстрактная, упрощенная модель этой области явлений - идеализированный абстрактный объект.

В этом случае количественные понятия относятся прежде всего к идеализированному объекту теории, и лишь поскольку последняя отражает реальный объект теории, постольку количественные понятия с определенной степенью точности применимы к характеристике реальных предметов. Это применение опять-таки связано с определенными гносеологическими и теоретическими соглашениями о материальном эталоне измерения, о пределах точности измерения и т. п. В процессе измерения, т. е. в процессе приписывания чисел свойствам объектов, нужно соблюдать определенные правила для того, чтобы результат измерения мог претендовать на интерсубъективную значимость.

Эти правила называются правилами измерения. Пусть Q обозначает некоторую степень измеряемого свойства, U- единицу измерения и q - числовое значение соответствующей величины.

Тогда результат измерения можно выразить следующим образом Q qU. Это уравнение называется основным уравнением измерения. Для того, чтобы в соответствии с этим уравнением приписать некоторое числовое значение измеряемой величине, руководствуются следующими правилами 1 Правило эквивалентности если физические значения измеряемых величин равны, то должны быть равны и их числовые выражения символически если Q 1 Q 2 , то q 1 U q 2 U. 2 Если физическое значение одной величины меньше больше физического значения другой величины, то числовое выражение первой должно быть меньше больше числового выражения второй символически если Q 1 Q 2 , то q 1 U q 2 U. Следует иметь в виду, что знаки, стоящие между Q 1 и Q 2 , не являются выражением обычных арифметических отношений, а представляют некоторые эмпирические соотношения между свойствами разных тел. Например, если речь идет о весе двух тел, то знак между Q 1 и Q 2 будет означать лишь то, что когда мы кладем одно тело на одну чашу весов, а другое тело - на вторую чашу, то весы оказываются в равновесии.

Точно так же знак между Q 1 и Q 2 означает, что одна чаша весов опустилась ниже другой. 3 Правило аддитивности числовое значение суммы двух физических значений некоторой величины должно быть равно сумме числовых значений этой величины символически qU Q 1 Е Q 2 q 1 U q 2 U . В формулировке данного правила между Q и Qi мы помещаем знак, обозначающий эмпирическую операцию соединения двух значений одной величины.

Эту операцию следует отличать от арифметического сложения. Операция соединения двух разных значений одной величины не всегда подчиняется данному правилу.

Величины, соединение которых подчиняется указанному правилу, называются аддитивными. Таковыми, например, являются вес, длина, объем в классической физике.

Если соединить вместе два тела, то вес получившейся совокупности отвлекаясь от дефекта массы будет равен сумме весов этих тел. Величины, не подчиняющиеся указанному правилу, называются неаддитивными. Примером неаддитивной величины может служить температура.

Если соединить вместе два тела с температурой, скажем, 20 С и 50 С, то температура этой пары тел не будет равна 70 С. Существование неаддитивных величин показывает, что при обращении с количественными понятиями мы должны учитывать, какие конкретные свойства обозначаются этими понятиями, ибо эмпирическая природа этих свойств накладывает ограничения на операции, производимые с соответствующими количественными величинами. 4 Правило единицы измерения.

Мы должны выбрать некоторое тело или легко воспроизводимый естественный процесс и охарактеризовать единицу измерения посредством этого тела или процесса. Для температуры, как мы видели, задают шкалу измерения, выбирая две крайние точки, например, точку замерзания воды и точку ее кипения, и разделяют отрезок трубки между этими точками на определенное количество частей.

Каждая такая часть будет единицей измерения температуры - градусом. Единицей измерения длины является метр, времени - секунда. Хотя единицы измерения выбираются произвольно, однако на их выбор накладываются определенные ограничения. Тело или процесс, избранные в качестве единицы измерения, должны сохранять неизменными свои размеры, форму, периодичность. Строгое соблюдение этих требовании было бы возможно только для идеального эталона. Реальные же тела и процессы подвержены изменениям под влиянием окружающих условии.

Поэтому в качестве реальных эталонов выбирают как можно более устойчивые к внешним воздействиям тела и процессы. 2.3. Эксперимент - важнейший метод эмпирического познания 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, производимые с целью познания этого объекта. В эксперименте можно выделить следующие элементы 1 цель эксперимента 2 объект экспериментирования 3 условия, в которых находится или в которые 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, проводимые 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 и дает теория и именно теория ставит тот вопрос, ответ на который должна дать природа. Поэтому эксперимент как вид материальной деятельности всегда связан с теорий. 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 данные эмпирически. 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 развитие и обоснование поток корпускул, представляющий собой свет, ударяясь о поверхность тела, должен производить давление. Из волновой теории X. 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 и, 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 и 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 равно дроби J с, где с - скорость света.

Подставив вместо и выражение J c 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 значений 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 которого были прикреплены очень тонкие и легкие крылышки.

Одно из крылышек было зачернено, а другое оставлено блестящим. Подвес помещался в сосуде, из которого был откачен 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, на которую должен дать ответ эксперимент, детерминирует и выбор величин, определяемых в ходе эксперимента. В рассмотренном выше случае этими величинами была световое давление и интенсивность света. Сами эти величины не могли быть обнаружены и фиксированы в эксперименте. Для того, чтобы войти в экспериментальные процедуры первый этап, они предварительно должны быть интерпретированы эмпирически, т. е. представлены в виде некоторых других величин, которые можно непосредственно наблюдать и измерять.

Второй 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.

Третий 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 создать такие условия, чтобы это закручивание не могло быть вызвано никаким другим воздействием.

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 выкачать. 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 четвертый 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, пятый, 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 вы- вод, что давление света действительно существует, и утверждение об этом включается в теорию как получившее экспериментальное обоснование.

Рассмотрение структуры и этапов проведения эксперимента позволяет дать более 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 он существенно зависит от теории. Как человеческий глаз для того, чтобы быть 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 но не практической деятельности 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 познания3.