4. Эксперимент - базовый метод науки
И наблюдение, и измерение включены в такой сложный базовый метод науки, как эксперимент. В отличие от наблюдения эксперимент характеризуется вмешательством исследователя в положение изучаемых объектов, активным воздействием на предмет исследования различных приборов и экспериментальных средств. Эксперимент представляет собой одну из форм практики, где сочетается взаимодействие объектов по естественным законам и искусственно организованное человеком действие. Как метод эмпирического исследования этот метод предполагает и позволяет осуществлять в соответствии с решаемой проблемой следующие операции:
₋ конструктивизацию объекта;
₋ вычленение объекта или предмета исследования, его изоляцию от влияния побочных и затемняющих сущность явлений, изучение в относительно чистом виде;
₋ эмпирическую интерпретацию исходных теоретических понятий и положений, выбор или создание экспериментальных средств;
₋ целенаправленное воздействие на объект: планомерное изменение, варьирование, комбинирование различных условий в целях получения искомого результата;
₋ многократное воспроизведение хода процесса, фиксацию данных в протоколах наблюдений, их обработку и перенос на другие объекты класса, не подвергнутые исследованию.
Эксперимент проводится не стихийно, не наудачу, а для решения определенных научных проблем и познавательных задач, продиктованных состоянием теории. Он необходим как основное средство накопления в изучении фактов, составляющих эмпирический базис всякой теории, является, как и вся практика в целом, объективным критерием относительной истинности теоретических положений и гипотез.
Предметная структура эксперимента позволяет вычленить следующие три элемента: познающий субъект (экспериментатор), средства эксперимента, объект экспериментального исследования.
На этой основе можно дать разветвленную классификацию экспериментов. В зависимости от качественного различия объектов исследования можно различать физический, технический, биологический, психологический, социологический и др. Характер и разнообразие средств и условий эксперимента позволяют вычленить прямой (натуральный) и модельный, полевой и лабораторный эксперименты. Если принять во внимание цели экспериментатора, то различаются поисковые, измерительные и проверочные виды экспериментов. Наконец, в зависимости от характера стратегии можно различать эксперименты, осуществляемые методом проб и ошибок, эксперименты на основе замкнутого алгоритма (например, исследование Галилеем падения тел), эксперимент с помощью метода «черного ящика», «шаговой стратегии» и др.
Классический эксперимент строился на таких методологических предпосылках, которые в той или иной степени отражали представления Лапласа о детерминизме как однозначной причинно-следственной связи. Предполагалось, что, зная начальное состояние системы в некоторых постоянных условиях, можно предвидеть поведение этой системы в будущем; можно четко выделить изучаемое явление, реализовать его в желаемом направлении, строго упорядочить все мешающие факторы либо отвлечься от них как несущественных (например, исключить субъект из результатов познания).
Возрастающее значение вероятностно-статистических представлений и принципов в реальной практике современной науки, а также признание не только объективной определенности, но и объективной неопределенности и понимание в связи с этим детерминации как относительной неопределенности (или как ограничения неопределенности) привело к новому представлению о структуре и принципах эксперимента. Выработка новой стратегии эксперимента непосредственно вызвана переходом от изучения хорошо организованных систем, в которых можно было выделить явления, зависящие от небольшого числа переменных, к изучению так называемых диффузных или плохо организованных систем. В этих системах нельзя четко выделить отдельные явления и разграничить действие переменных различной физической природы. Это и потребовало более широко применять методы статистики, по сути дела, внесло «концепцию случая» в эксперимент. Программу эксперимента стали создавать так, чтобы предельно разнообразить многочисленные факторы и учесть их статистически.
Таким образом, эксперимент из однофакторного, жестко детерминированного, воспроизводящего однозначные связи и отношения, превратился в метод, учитывающий многие факторы сложной (диффузной) системы и воспроизводящий одно- и многозначные отношения, т. е. эксперимент приобрел вероятностно-детерминированный характер. Кроме того, сама стратегия эксперимента также часто не является жестко детерминированной и может меняться в зависимости от результатов на каждом этапе.
Материальные модели отражают соответствующие объекты в трех формах сходства: физического подобия, аналогии и изоморфизма как взаимно однозначного соответствия структур. Модельный эксперимент имеет дело с материальной моделью, которая одновременно является как объектом изучения, так и экспериментальным средством. С введением модели структура эксперимента существенно усложняется. Теперь исследователь и прибор взаимодействуют не с самим объектом, а лишь с замещающей его моделью, вследствие чего существенно усложняется операционная структура эксперимента. Усиливается роль теоретической стороны исследования, поскольку необходимо обосновать отношение подобия между моделью и объектом и возможность экстраполировать на этот объект полученные данные. Рассмотрим, в чем состоят суть метода экстраполяции и его особенности в моделировании.
Экстраполяция как процедура переноса знаний с одной предметной области на другую – не наблюдаемую и неизученную – на основании некоторого выявленного отношения между ними относится к числу операций, обладающих функцией оптимизации процесса познания.
В научном исследовании используются индуктивные экстраполяции, в которых закономерность, установленная для одного вида объектов, переносится с определенными уточнениями на другие объекты. Так, установив, например, для какого-то газа свойство сжатия и выразив его в виде количественного закона, можно экстраполировать это на другие, неисследованные газы с учетом их коэффициента сжатия. В точном естествознании также применяется экстраполяция, например при распространении уравнения, описывающего некоторый закон, на неизученную область (математическая гипотеза), при этом предполагается возможное изменение формы этого уравнения. В целом в опытных науках под экстраполяцией понимается распространение:
- качественных характеристик с одной предметной области на другую, с прошлого и настоящего на будущее;
- количественных характеристик одной области предметов на другую, одного агрегата на другой на основе специально разрабатываемых для этой цели методов;
- некоторого уравнения на иные предметные области в пределах одной науки или даже на иные области знания, что связано с их некоторой модификацией и (или) с переистолкованием смысла входящих в них компонентов.
Процедура переноса знаний, будучи лишь относительно самостоятельной, органически входит в такие методы, как индукция, аналогия, моделирование, математическая гипотеза, статистические методы и многие другие. В случае моделирования экстраполяция входит в операционную структуру этого вида эксперимента, состоящего из следующих операций и процедур:
- теоретическое обоснование будущей модели, ее сходства с объектом, т. е. операции, обеспечивающей переход от объекта к модели;
- построение модели на основе критериев подобия и цели исследования;
- экспериментальное исследование модели;
- операция перехода от модели к объекту, т. е. экстраполяция результатов, полученных при исследовании модели, на объект.
Как правило, в научном моделировании используется выясненная аналогия, конкретными случаями которой являются, например, физическое подобие и физическая аналогия. Следует отметить, что условия правомерности аналогии были разработаны не столько в логике и методологии, сколько в специальной инженерно-математической теории подобия, лежащей в основе современного научного моделирования.
Теория подобия формулирует условия, при которых обеспечивается правомерность перехода от высказываний о модели к высказываниям об объекте как в том случае, когда модель и объект принадлежат к одной и той же форме движения (физическое подобие), так и в том случае, когда они принадлежат к различным формам движения материи (физическая аналогия). Такими условиями являются выясненные и соблюдаемые при моделировании критерии подобия. Так, например, при гидравлическом моделировании, в основе которого лежат механические законы подобия, обязательно соблюдаются геометрическое, кинематическое и динамическое подобия. Геометрическое подобие предполагает постоянное соотношение между соответствующими линейными размерами объекта и модели, их площадями и объемами; кинематическое подобие основано на постоянном соотношении скоростей, ускорений и промежутков времени, в течение которых сходные частицы описывают геометрически подобные траектории; наконец, модель и объект будут динамически подобны, если отношения масс и сил будут постоянны. Можно предположить, что соблюдение указанных соотношений обусловливает получение достоверных знаний при экстраполяции данных модели на объект.