Текст книги "Естественнонаучная картина мира. Часть 1. Естествознание – комплекс наук о природе"

1.4. Эмпирические методы познания

Эмпирическими (от древнегреческого εμπειρία [empeiría] – «опыт») называют методы научного познания, напрямую связанные с опытом: наблюдение, эксперимент и измерение .

Научное наблюдение – целенаправленное систематическое и организованное восприятие изучаемых объектов и явлений. От обыденного наблюдения (созерцания) научное наблюдение отличается тем, что имеет конкретную цель – получение нового научного знания. В отличие от эксперимента, в ходе наблюдений исследователь не вмешивается в естественный ход событий, не создает специальных условий для тех или иных изменений и не варьирует эти условия.

Эксперимент всегда более информативен, поэтому выбор наблюдения в качестве метода познания, как правило, связано с двумя обстоятельствами. Во-первых, вмешательство исследователя может быть невозможно, как, например, в случае наблюдения за звездами, галактиками, кометами и другими космическими объектами. Во-вторых, в результате вмешательства могут происходить такие изменения, которые нарушают естественный ход событий: наблюдение за прайдом львов, стаей птиц и т.п. Поэтому наблюдения широко применяются в астрономии и биологии.

Любое наблюдение опирается на работу органов чувств человека: зрение, слух, обоняние, осязание и вкус. А. Кристи шутливо писала «Как жаль, что в замочную скважину можно либо подглядывать, либо подслушивать», описывая как важны разного рода наблюдения для раскрытия преступления. Не менее важны они и для раскрытия тайн природы.

Вплоть до XVII века наблюдения ограничивались только органами чувств. С изобретением микроскопа и телескопа ситуация существенно изменилась, и сегодня успех научных наблюдений во многом определяется возможностями приборов, которые используются для наблюдений.

Примеры научных наблюдений. Основоположник микроскопии – голландский натуралист А. Левенгук (XVII век). В его времена самые сильные линзы увеличивали изображение лишь в двадцать раз. Левенгуку удалось создать «микроскоп» (по существу, это была очень сильная лупа), который увеличивал в 250-300 раз. Он состоял из бронзовой пластинки с приделанным к ней увеличительным стеклом и устройством для крепления (рис. 1.16). Увеличительные стекла Левенгука, были очень малы – величиной с крупную горошину, поэтому пользоваться ими было трудно. Несмотря на это ему удалось путем наблюдений сделать множество важных открытий.

В течение 50 лет он наблюдал, подробно зарисовывал и описывал результаты своих наблюдений за самыми разными объектами: кусочек мяса, капля дождевой воды, хвостик головастика, глаз мухи, собственная сперма, налет со своих зубов и многое-многое другое. Одно из самых важных его открытий – микроорганизмы. В 1673 году Левенгук первым из людей увидел микробов. Вот как он писал о наблюдении в микроскоп за зубным налетом: «С величайшим удивлением я увидел под микроскопом невероятное количество мелких животных и притом в таком крошечном кусочке вышеуказанного вещества, что этому почти невозможно было поверить, если не убедиться собственными глазами».

Рис. 1.16. Микроскоп А. Левенгука

Сегодня, через сотни лет, мы знаем, что «мелкие животные», которых наблюдал Левенгук, – это одноклеточные безъядерные организмы. Их называют бактериями . В настоящее время установлено, что организм человека населяют сотни триллионов бактерий. Их суммарный вес составляет около 2-х килограмм, а по численности они превосходят число собственных клеток человека. В совокупности с другими микроорганизмами (вирусами, археями, грибами) это целый мир, который биологи называют микробиом (рис. 1.17).

Микробы населяют человека подобно тому, как мы населяем планету Земля. Однако, в отличие от нас, микроорганизмы заботятся о своей «планете», образуя с ней единую экосистему. В этой экосистеме существует симбиоз (от греческого «symbiosis» – совместная жизнь) микробиома с человеком. Микробиом каждого человека уникален. Микроорганизмы помогают нам переваривать пищу, усваивать лекарства, обогревают нас, влияют на нашу гормональную и иммунную систему, на деятельность мозга, они могут как способствовать нашей жизнедеятельности, так и вызывать различные заболевания.

Не случайно журнал «Science» включил открытие микробиома в список научных прорывов XXI века. Его исследованию посвящен крупный современный международный проект «Микро-биом человека» (Human Microbiom Project). В рамках этого проекта, в частности установлено, что микробы вносят больше генов, ответственных за выживание человека, чем собственные гены людей (бактериальных генов примерно в 360 раз больше). А ведь все начиналось с простых наблюдений Левенгука при помощи увеличительного стёклышка размером с горошину.

Эксперимент – эмпирический метод, в ходе применения которого явления и объекты исследуются в специально созданных, контролируемых и управляемых условиях.

Рис. 1.17. Бактерии, населяющие кишечник человека

Эксперимент – важнейший метод естествознания, без которого невозможно развитие ни одной его области. Перефразируя В. Маяковского, можно утверждать: Говорим «Естествознание» – подразумеваем «Эксперимент», говорим «Эксперимент» – подразумеваем «Естествознание».

На современном этапе и многие гуманитарные науки (педагогика, психология, социология и др.) активно используют эксперимент для проведения исследований. При этом за образец берется методология естественнонаучного эксперимента. Это закономерный процесс развития и взаимопроникновения наук. Еще в Средние века Леонардо да Винчи писал, что «науки, которые не родились из эксперимента, бесполезны и полны заблуждений».

Научные эксперименты отличаются огромным разнообразием, однако в их структуре можно выделить общие этапы : 1) постановка цели эксперимента, 2) разработка идеи достижения цели, 3) конструирование экспериментальной установки; 4) планирование действий с экспериментальной установкой; 5) проведение эксперимента; 6) обработка экспериментальных данных.

Проиллюстрируем это положение на примере одного из экспериментов «на стыке» естественных и гуманитарных наук. Он был проведен в 2008—2010 г. врачом и ученым-исследователем Чарльзом Лимбом (США).

Цель эксперимента состояла в том, чтобы выяснить, какие участки мозга активизируются в момент творческой деятельности.

При разработке идеи эксперимента Ч. Лимб исходил из того, что для регистрации активности мозга можно использовать современное медицинское оборудование – магнитно-резонансный томограф (МРТ). Творчество может выражаться в разных формах (написание рассказа, научная работа и др.). Однако они продолжительны во времени и затруднительны внутри трубы томографа. В связи с этим идея состояла в том, чтобы исследовать мозг во время музыкальной импровизации. Импровизация, с одной стороны, спонтанна, то есть представляет творчество в чистом виде, с другой − ее можно ограничить приемлемыми временными рамками.

В ходе конструирования экспериментальной установки потребовалось разработать клавиатуру, на которой можно было бы играть, лежа на спине в узкой трубе. Наиболее удачным оказалось размещение, при котором клавиатура лежит на коленях (рис. 1.18). Но в этом случае испытуемые ее не видят, поэтому потребовалось разработать систему зеркал, которая показывала клавиатуру. Синтезатор для музыкантов изготавливался специально: необходимо было учесть габариты томографа и влияние магнитного поля, избежать шумов и связать клавиатуру с компьютером (это заняло около двух лет).

Рис. 1.18. Экспериментальная установка в опытах по исследова нию мозга в процессе творческой деятельности. Фотография с сайта jazzpeople.ru

План эксперимента состоял в том, что музыканта − добровольца помещали в томограф и подключали аппаратуру. Далее испытуемый должен был играть сначала выученное произведение, а затем импровизацию. В это время экспериментатор делал МРТ-снимки головного мозга.

В ходе эксперимента условия были непривычными для музыкантов, но смущение длилось одну-две минуты, а затем им становилось удивительно комфортно.

Обработка результатов эксперимента состояла в сравнении томограмм, соответствующих воспроизведению и импровизации. Сравнение показало, что в процессе импровизации в отличие от воспроизведения задействованы все участки мозга. Были обнаружены две особенности. Первая: латеральные префронтальные зоны, которые участвуют в осознанном самоконтроле, практически отключались. Вторая: медиальные префронтальные зоны, которые участвуют в самовыражении и автобиографических рассказах, включались в активную работу.

Классификации экспериментов. По предмету исследования различают биологические, физические, химические, астрофизические, биохимические и другие эксперименты (рис. 1.19). В этом случае названия говорят сами за себя и не требуют пояснений.

По функциям в научном исследовании все эксперименты делят на проверочные и исследовательские .

К проверочным относят эксперименты, которые проверяют какую-либо гипотезу, модель, теорию. Такие эксперименты могут ставиться либо с целью их подтвердить, либо с целью – опровергнуть. В истории естествознания нередки случаи, когда эксперименты, которые изначально планировались, как подтверждающие, оказываются опровергающими и наоборот. Например, Г. Герц, проводил свои знаменитые опыты, пытаясь опровергнуть предсказание теории Д. Максвелла о существовании электромагнитных волн. Однако вошел в историю как человек, впервые обнаруживший электромагнитные волны и подтвердивший, что их свойства полностью соответствуют предсказанным.

К исследовательским (поисковым) экспериментам относят те, которые направлены на обнаружение новых, неизвестных науке явлений и свойств. В ходе проведения этих экспериментов обнаруживаются факты, которые необходимо объяснить на основе существующих теорий или разработать новые для их объяснения.

Рис. 1.19. Классификация естественнонаучных эсперементов

Примером такого эксперимента может служить открытие явления сверхпроводимости голландским физиком Каммерлинг-Оннесом (1911 г.). Ему удалось создать лучшую в мире криогенную лабораторию, в которой впервые был получен жидкий гелий (температура кипеия – 4,2 Кельвина). Это очень малая температура, близкая к абсолютному нулю – 0 Кельвинов. Появилась возможность изучать свойства различных материалов при столь низких температурах. Каммерлинг-Оннес использовал эту возможность для исследования зависимости сопротивления металлов от температуры.

Неожиданно он обнаружил, что, если охлаждать ртуть, то при температуре около 4 Кельвин (критической температуре), ее сопротивление резко падает до нуля (рис. 1.20). Это явление было названо сверхпроводимостью. Позднее были обнаружены и другие сверхпроводники: олово, свинец. Ток в сверхпроводящем кольце, изготовленном из этих материалов, не затухает практически все время, пока они поддерживаются при температуре, ниже критической. Объяснение этого явления было найдено в рамках квантовой физики и носит название «теория БКШ» по именам, разработавших ее физиков (Д. Бардин, Л. Купер, Д. Шриффер).

Позднее, в 1986 году, физики К. Мюллер и Г. Беднорц, проводя исследовательские эксперименты с проводниками сложного физико-химического состава открыли еще одно явление – высокотемпературную сверхпроводимость (температура выше 30 Кельвин), которое не укладывалось в эту теорию и потребовало дальнейших теоретических разработок. За эту работу К. Мюллер и Г. Беднорц были удостоены Нобелевской премии. Особое значение этого открытия состоит в практической возможности получения сверхпроводящего состояния при охлаждении более дешевыми и удобными охладителями (жидкий азот, жидкий водород).

Рис. 1.20. Зависимость сопротивления ртути от температуры (переход в сверхпроводящее состояние)

По характеру исследования можно выделить реальные и имитационные эксперименты. Все описанные выше эксперименты являются реальными. Имитационными называют те эксперименты, в ходе которых имитируются (то есть воспроизводятся, повторяются) условия реального эксперимента.

Примером может служить проект «Марс-500», проведённый Россией с широким международным участием (2007—2011 гг.). Экспедиция на Марс из-за огромного расстояния между Землей и Марсом (от 55 до 400 миллионов километров) и большой длительности полета (больше 500 дней) сопряжена с большими техническими и психологическими трудностями, а также огромными финансовыми затратами. Для того, чтобы решить вопрос о ее целесообразности и опасности для жизни и здоровья космонавтов был разработан имитационный эксперимент (рис. 1.21).

Он проходил в три этапа: 250 суток перелета с Земли на Марс, 30 – высадка на «марсианскую поверхность» и еще 240 суток – возвращение. Были сымитированы основные особенности пилотируемого полёта на Марс, такие, как высокая длительность, автономность, необычные условия связи с Землей, задержка связи, ограниченность расходуемых ресурсов и др. В результате удалось собрать данные о здоровье членов команды и их работоспособности, и получить новые данные об уникальных возможностях человека.

Особый класс экспериментов составляют решающие эксперименты . Нередко их называют критическими («experementum crusis»), что с латинского буквально переводится как «опыт креста». Термин был введен Ф. Бэконом и означает эксперимент, исход которого однозначно определяет, является ли конкретная гипотеза или теория верной.

Рис. 1.21. Работа в скафандрах на имитаторе марсианской поверхности. Источник: mars500.imbp.ru

Один из классических примеров таких экспериментов в физике – опыты по проверке теории дифракции. Дифракция – это явление огибания волнами препятствий. Оно наблюдается, если размеры препятствий сравнимы с длиной волны (длина световой волны порядка 10 ^-7метра, следовательно, и препятствия должны быть малыми).

В 1817 году Парижская академия наук объявила конкурс на лучшее объяснение этого явления. Подразумевалось, что оно будет сделано на основе господствующей в то время корпускулярной теории света. Молодой ученый О. Френель представил на этот конкурс в запечатанном конверте «Записку о теории дифракции». В ней он описал многочисленные опыты по дифракции, объясняя их на основе не корпускулярной, а волновой теории света.

При обсуждении работы один из членов комиссии С. Пуассон заметил, что теория О. Френеля противоречит здравому смыслу: в самом центре тени, отбрасываемой непрозрачным диском, должно находиться светлое пятно (рис. 1.22). Другой член комиссии Д. Араго, которому было поручено подготовить отзыв на присланную работу, решил провести экспериментальную проверку вывода С. Пуассона. Вопреки здравому смыслу опыт показал наличие светлого пятна в центре отбрасываемой диском тени (теперь его называют пятном Араго-Пуассона). В результате работа О. Френеля получила заслуженную премию, а волновая теория – всеобщее признание.

Рис. 1.22. Пятно Араго-Пуассона

Измерение – это нахождение значения какой-либо величины опытным путем. Результаты измерений выражаются с помощью чисел, и благодаря этому их можно подвергнуть математической обработке.

Измерение, как правило, не является самостоятельным методом исследования, а сопровождает наблюдения и эксперименты, цель которых установить какую-либо зависимость между величинами или описать свойства какого-либо объекта. Однако нередки случаи, когда измерение какой-либо величины является не промежуточной, а конечной целью опытов: измерение скорости света в вакууме, измерение постоянной Планка и др. Существует специальная наука об измерениях, которая называется метрология.

Измерения в астрономии, химии, биологии, геологии и других естественных науках, как правило, проводятся физическими приборами и сводятся к измерению физических величин.

Измерить физическую величину означает сравнить ее с однородной физической величиной, принятой за единицу. Так, измерить массу тела означает сравнить ее с другой массой, которая принята за единицу. В системе СИ все единицы делят на основные и производные. Основных единиц – всего семь: килограмм, метр, секунда, кандела, кельвин, моль, ампер. Их определяют через эталон. Все остальные единицы – производные. Они могут быть выражены через основные с помощью математических операций умножения и деления.

Первые эталоны были предложены еще в XIX веке, все они были привязаны к каким-либо объектам. Например, в качестве эталона килограмма использовался цилиндр, специально изготовленный с высокой точностью из сплава платины и иридия (рис. 1.23).

Рис. 1.23. Эталон килограмма (до 2019 г.)

Но постепенно у учёных накопились претензии к выбранным в качестве эталонов физическим объектам. Например, обнаружили изменение массы у эталона килограмма, хранящегося во французском городе Севре, в Международном бюро мер и весов, под двумя специальными колпаками, из которых откачан воздух. Несмотря на принятые строгие условия хранения и меры предосторожности за прошедшее время после изготовления цилиндра-эталона, его вес изменился на 50 микрограмм.

В современных исследованиях требуется все большая точность и стабильность эталонов как единиц измерения. В связи с этим было принято решение переопределить основные единицы через фундаментальные постоянные: постоянную Планка, постоянную Больцмана и другие. Килограмм, ампер, кельвин и моль получили новые, более точные определения, выраженные не через объекты реального мира, а через абстрактные математические константы. Решение об этом было принято единогласно на Генеральной конференции мер и весов в 2018 году в Версале. В частности, принято следующее определение килограмма: 1 килограмм равен постоянной Планка, поделенной на 6, 62670040∙10^-34 м²∙с^-1

Особенности современных измерений. Для современного этапа развития естествознания характерна обработка огромных массивов данных и высочайшей точности измерений.

В каждом из экспериментов Большого адронного коллайдера ежесекундно происходят миллионы столкновений элементарных частиц. Если бы все они обрабатывались и превращались в информацию, объем данных составил бы 1 петабайт в секунду (столько информации весь Google обрабатывает за час). В мире нет системы, которая могла бы справиться с таким потоком информации. Поэтому на начальном этапе данные фильтруются, сокращая поток примерно в 100 тысяч раз и оставляя то, что представляет научный интерес. Вся информация записывается на магнитные ленты и архивируется. Первичная обработка происходит в режиме реального времени, но для глубокого анализа вычислительных мощностей ЦЕРН (Европейская организация по ядерным исследованиям, крупнейшая в мире) не хватает.

Далее данные обрабатываются с помощью ГРИД-технологии. Эти технологии (от английского grid – решетка, сеть) позволяют создать географически распределенные вычислительные инфраструктуры, которые объединяют разного рода ресурсы и дают возможность коллективного доступа к ним. В ГРИД входит более 170 узлов в 40 странах мира, в том числе Курчатовский институт в Москве, Объединенный институт ядерных исследований в Дубне и др.

Таким образом, в решении конкретной научной задачи участвуют тысячи ученых, которые находятся далеко друг от друга, могут быть не знакомы друг с другом, но занимаются обработкой массива данных в определенной области (такое сообщество ученых называют коллаборацией). По результатам работы нередко выходят статьи, объем которых 3-4 страницы, а перечисление имен авторов занимает десятки страниц. При этом массив данных таков, что физики занимаются изучением данных, которые получены несколько лет назад.

Высочайшую точность современных измерений прекрасно иллюстрирует недавнее обнаружение гравитационных волн. Гравитационные волны – колебания геометрической структуры пространства-времени, распространяющиеся со скоростью света («рябь пространства-времени»). Они были предсказаны в 1916 году А. Эйнштейном и открыты через 100 лет, в 2016 году.

Гравитационные волны излучаются любыми материальными объектами, но наиболее сильно проявляют себя для тел огромных масс, таких как черные дыры. Международной коллаборацией LIGO (включает ученых 15 стран, в том числе и России) удалось зарегистрировать всплеск гравитационного излучения, рожденный слиянием двух черных дыр, находящихся на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет от нас. Для этого потребовалось построить уникальную установку. Она состоит из двух детекторов, разнесенных на 3000 километров друг от друга, каждый из которых имеет два плеча длиной 4,5 километра (рис. 1.24).

Рис. 1.24. Установка для регистрации гравитационных волн

Для того, чтобы зарегистрировать полезный сигнал, потребовалось исключить десятки источников шумов, которые в миллионы и миллиарды раз его превосходят. Чувствительность установки – фантастическая, она может фиксировать относительное удлинение плеча интерферометра 10^-21. Это означает, что удается фиксировать изменение длины плеча на одну десятитысячную размера протона. Такая точность открыла новый канал наблюдения за Вселенной: не только с помощью электромагнитных волн всех диапазонов, но и с помощью гравитационных волн.