какое значение имеет эксперимент в естествознании
Билет № 9. Эксперимент – основа естествознания.
Практическая направленность эксперимента. Эксперимент является фундаментальной базой естествознания, наиболее эффективным и действенным средством познания. Для современного эксперимента характерны три основные особенности:
1) возрастание роли теории при подготовке к эксперименту (все чаще эксперименту предшествует теоретическая работа большой группы ученых);
2) сложность технических средств эксперимента, состоящих из многофункциональной электронной аппаратуры, прецизионных механических устройств, высокочувствительных приборов и т.п.;
3) масштабность эксперимента (некоторые экспериментальные объекты представляют собой сложнейшие сооружения крупных масштабов, строительство и эксплуатация которых требуют больших финансовых затрат).
Любой эксперимент базируется на взаимодействии субъекта с исследуемым объектом и часто включает операции наблюдения, приводящие не только к качественным, описательным, но и к количественным результатам, требующим дальнейшей математической обработки. С этой точки зрения, эксперимент — разновидность практического действия, предпринимаемого с целью получения знания. В процессе экспериментального исследования в контролируемых и управляемых условиях изучаются многообразные явления и свойства объектов природы. Основная задача эксперимента заключается в проверке гипотез и выводов теорий, имеющих фундаментальное и прикладное значение. Являясь критерием естественно-научной истины, эксперимент представляет собой основу научного познания окружающего мира.
Хотя эксперимент и наблюдение относятся к эмпирическим формам естественно-научного познания, между ними есть существенное различие: эксперимент — преобразующая внешний мир деятельность человека, а наблюдению свойственны черты созерцательности и чувственного восприятия исследуемого объекта. В экспериментальной работе при активном воздействии на исследуемый объект искусственно выделяются те или иные его свойства, которые и являются предметом изучения в естественных либо специально созданных условиях.
В процессе естественно-научного эксперимента часто прибегают к физическому моделированию исследуемого объекта и создают для него различные управляемые условия. Для этого наряду с моделирующим объектом изготавливаются специальные установки и устройства: барокамеры, термостаты, магнитные ловушки, ускорители и т.п., — обеспечивающие сверхнизкие и сверхвысокие температуры и давления, вакуум и другие условия. В некоторых случаях моделирование — единственно возможное средство для эксперимента.
Многие экспериментальные исследования направлены не только на достижение естественно-научной истины, но и на отработку технологий производства новых видов разнообразной продукции, что еще раз подчеркивает практическую направленность эксперимента как непосредственного способа отработки и совершенствования любого технологического цикла.
Экспериментальные средства по своему содержанию не однородны, их можно разделить на три основные, функционально отличающиеся системы:
1) систему, содержащую исследуемый объект с заданными свойствами;
2) систему, обеспечивающую воздействие на исследуемый предмет;
3) сложную приборную измерительную систему.
В зависимости от поставленной задачи данные системы играют разную роль. Например, при определении магнитных свойств вещества результаты эксперимента во многом зависят от чувствительности приборов. В то же время при исследовании свойств вещества, не встречающегося в природе в обычных условиях, да еще и при низкой температуре, все системы экспериментальных средств одинаково важны.
Чем сложнее экспериментальная задача, тем острее проблема повышения достоверности полученных результатов.
Можно назвать четыре пути решения данной проблемы:
1) многократное повторение операций измерений;
2) совершенствование технических систем и приборов, повышение их точности, чувствительности и разрешающей способности;
3) более строгий учет основных и неосновных факторов, влияющих на исследуемый объект;
4) предварительное планирование эксперимента, позволяющее наиболее полно учесть специфику исследуемого объекта и возможности приборного обеспечения.
Чем тщательнее предварительно проанализированы все особенности исследуемого объекта и управляемые внешние условия, чем чувствительнее и точнее приборы, тем достовернее экспериментальные результаты.
В любом естественно-научном эксперименте можно выделить три основных этапа:
2) сбор экспериментальных данных;
3) обработка результатов эксперимента и их анализ.
Подготовительный этап обычно сводится к теоретическому обоснованию эксперимента, его планированию, изготовлению образца или модели исследуемого объекта, конструированию и созданию технической базы, включающей приборное обеспечение. Результаты, полученные на хорошо подготовленной экспериментальной базе, как правило, легче поддаются сложной математической обработке. Анализ результатов эксперимента позволяет оценить тот или иной параметр исследуемого объекта и сопоставить его с известным теоретическим либо экспериментальным значением, полученным другими техническими средствами, что очень важно при определении правильности и степени достоверности окончательных результатов.
Обработка экспериментальных результатов. После сбора первых экспериментальных данных процедура эксперимента продолжается.
Во-первых, как правило, единичные результаты нельзя считать окончательным решением поставленной задачи. Во-вторых, такие результаты нуждаются в логической доработке, превращающей их в научный факт, в истинности которого не возникает сомнений. Отдельные экспериментальные данные, полученные на начальной стадии исследования, могут содержать ошибки, связанные с некорректной постановкой эксперимента, неправильными показаниями измерительных приборов, отклонениями в функционировании органов чувств и т. д. Поэтому, как правило, проводится не один эксперимент, а серия экспериментов, в которых уточняются и проверяются результаты измерений, собираются недостающие сведения, проводится их предварительный анализ. Затем полученные экспериментальные данные обрабатываются в рамках математической теории ошибок, позволяющей количественно оценить достоверность окончательных результатов. Сколь бы точными ни были наблюдения и измерения, погрешности неизбежны, и задача естествоиспытателя заключается в том, чтобы приблизить экспериментальные данные к объективным значениям определяемых величин, т. е. уменьшить интервал неточности.
Современная статистическая теория ошибок вооружает экспериментаторов надежными средствами корректировки экспериментальных данных. Статистическая обработка — не только эффективное средство уточнения экспериментальных данных, отсеивания случайных ошибок, но и первый шаг обобщения их в процессе формирования научного факта. Разумеется, статистическая обработка — необходимая, но не достаточная операция при переходе от эмпирических данных к естественно-научному факту.
После уточнения экспериментальных результатов начинается их сравнение и обобщение, которое еще не означает окончательного установления научного факта. Вновь зафиксированное явление или свойство объекта становится научным фактом только после его интерпретации. Таким образом, научный факт, полученный в эксперименте, представляет собой результат обобщения совокупности выводов, основанных на наблюдениях, и измерениях характеристик исследуемого объекта при предсказании их в виде гипотезы.
Эксперимент как основа естествознания
С самого момента возникновения философии человек размышляет о возможностях и границах познания. Философские размышления велись главным образом либо в русле эмпиризма, пренебрегающего ролью творческого мышления и развитием понятийного аппарата, либо в русле рационализма, который не учитывал практики как критерия истины, как основы, отправной точки и цели познания. В результате успехов естественных наук многим эмпирикам стало казаться, что исследовательская работа в этой области нуждается лишь в прагматическом оправдании, а не в философском обосновании. Ф. Энгельс показал, однако,
Диалектика познания нуждается в философском осмыслении. При этом речь идет как о материалистическом объяснении процессов мышления, так и о сложных отношениях, возникающих в процессе теоретического и практического освоения действительности людьми. Попытка Канта преодолеть эмпиризм и рационализм оказалась безуспешной.
Разработка теории познания, отвечающей современному развитию науки, не может быть задачей одной лишь философии. Поскольку она должна давать для отдельных научных дисциплин мировоззренческие, гносеологические и методологические основы, поскольку она делает это с помощью анализа результатов этих наук, истории науки и философско-гносеологических воззрений ученых. Философский аспект изучения процесса познания заключается в обосновании теории отражения, в учете исторического характера познания и диалектики развития познания.
Философская постановка вопроса выходит, однако, за рамки проблем истории теорем познания. Она включает мировоззренческие проблемы, касающиеся связи познания с гуманизмом, и рассмотрение эффективности результатов познания. Речь идет об ответственности ученых в двояком отношении. С одной стороной, должно учитываться соотношение между приложенными затратами и полученной пользой с целью обеспечения наибольшей эффективности исследований. Это особенно трудно сделать в отношении фундаментальных исследований, так как практические результаты здесь нередко проявляются в более или менее отдаленном будущем. С другой стороны, эксперименты, поскольку они прямо или косвенно затрагивают людей, не могут связываться только с критериями экономической эффективности. Эксперименты с людьми и на людях требуют соблюдения гуманистических принципов. Общественная потребность в научных знаниях может быть удовлетворена только при наличии соответствующего задела и полном высвобождении творческих потенций. Для этого необходимы определенные условия.
1. Практическая направленность эксперимента
Развитие общества в значительной степени определяется уровнем наукоемких технологий, многочисленные направления которых основаны на достижениях соответствующих отраслей естествознания. Современное естествознание обладает большим многообразием методов исследований, среди которых эксперимент – наиболее эффективное и действенное средство познания.
Для эксперимента сегодняшнего дня характерны три основные особенности:
· возрастание роли теоретической базы эксперимента. Во многих случаях эксперименту предшествует теоретическая работа, концентрирующая громадный труд большого числа теоретиков и экспериментаторов;
· сложность технического оснащения эксперимента. Техника эксперимента, как правило, насыщена многофункциональной электронной аппаратурой, прецизионными механическими устройствами, высокочувствительными приборами, высокоточными преобразователями и т. п. Большинство экспериментальных установок представляет собой полностью замкнутую систему автоматического регулирования, в которой технические средства обеспечивают заданные условия эксперимента с вполне определенной точностью, регистрируют промежуточные экспериментальные результаты и производят последовательную их обработку;
· масштабность эксперимента. Некоторые экспериментальные установки напоминают сложные объекты крупных масштабов. Строительство и эксплуатация таких объектов стоит больших финансовых затрат. Кроме того, экспериментальные объекты могут оказать активное действие на окружающую среду.
Эксперимент базируется на практическом воздействии субъекта на исследуемый объект и часто включает операции наблюдения, приводящие не только к качественным, описательным, но и к количественным результатам, требующим дальнейшей математической обработки. С этой точки зрения эксперимент- разновидность практического действия, предпринимаемого с целью получения знания. В процессе экспериментального естественнонаучного исследования в контролируемых и управляемых условиях изучаются многообразные свойства и явления природы.
В процессе естественнонаучного эксперимента часто прибегают к физическому моделированию как исследуемого объекта, так и различных управляемых условий, в которых находится объект. Для этого создаются специальные установки и устройства: барокамеры, термостаты, магнитные ловушки, ускорители и т. п. С помощью их создаются сверхнизкие и сверхвысокие температуры и давления, вакуум и другие условия. В некоторых случаях моделирование исследуемого объекта – единственное средство реализации эксперимента.
Многие экспериментальные исследования направлены не только на обоснование естественнонаучной истины, но и на обработку технологий изготовления новых видов разнообразной высококачественной продукции. Именно в этом наиболее сильно проявляется практическая направленность эксперимента как прямого пути совершенствования любого технологического цикла.
Экспериментальные средства по своей сути не однородны: их можно разделить на три основные, отличающиеся функциональным назначением системы:
· · содержащую исследуемый объект с заданными свойствами;
· · обеспечивающую воздействие на исследуемый предмет;
· · сложную приборную измерительную систему;
В зависимости от экспериментальной задачи данные системы играют разную роль. Например, при определении магнитных свойств вещества результаты эксперимента во многом зависят от чувствительности приборов. В то же время при проведении экспериментов с веществом, не встречающимся в природе при обычных условиях, да еще и при низкой температуре, все системы экспериментальных средств играют важную роль.
Чем сложнее экспериментальная задача, тем острее стоит вопрос чистоты эксперимента и достоверности полученных результатов. Можно назвать четыре пути решения данного вопроса:
· многократное повторение измерений;
· совершенствование технических систем и приборов; повышение их точности, чувствительности, разрешающей способности;
· более строгий учет основных и не основных факторов, влияющих на исследуемый объект;
· предварительное планирование эксперимента, позволяющее наиболее полно учесть специфику исследуемого объекта и возможности приборного обеспечения.
В любом естественно – научном эксперименте можно выделить три основных этапа:
· получение экспериментальных данных;
· обработка результатов эксперимента и их анализ;
Подготовительный этап обычно включает теоретическую проработку проведения эксперимента, его планирование под готовку исследуемого объекта, конструирование и создание технической базы, включающей приборное обеспечение. На хорошо подготовленной экспериментальной базе полученные данные, как правило, легче поддаются сложной математической обработке. Анализ результатов эксперимента позволяет оценить тот или иной параметр исследуемого объекта и сопоставить его либо с соответствующим теоретическим значением, либо с экспериментальным значением, полученным другими техническими средствами, что очень важно при определении правильности и степени достоверности полученных результатов.
Теоретические предпосылки эксперимента
Взаимная обусловленность эмпирических и теоретических знаний вряд ли вызывает сомнение Современные эксперименты и теория настолько сильно переплетены, что однозначно ответить на вопрос, какое из данных знаний можно рассматривать в качестве абсолютного начала естественно – научного познания, практически не представляется возможным, хотя можно привести многочисленные примеры научных изысканий, когда эмпирические начала предвосхищают теорию, и наоборот.
В теоретические исследования все больше внедряются наиболее абстрактные разделы математики, и многие теоретические расчеты выполняются с помощью мощных вычислительных средств. Экспериментальное исследование развивается за счет внедрения новых методов с применением сравнительно сложных технических средств. Эксперимент все чаще приобретает индустриальные, а в отдельных случаях и гигантские масштабы. Вместе с тем возрастает роль и его теоретического обеспечения, то есть можно уверенно говорить о теоретической обусловленности современных экспериментальных исследований.
На всех этапах экспериментальных исследований весьма важна мыслительная деятельность экспериментатора, которая чаще всего носит философский характер. Решая, например, вопросы: что такое электрон, является ли он элементом реального мира или чистой абстракцией, можно ли его наблюдать, в какой мере знания об электроне истины и тому подобное – ученый так или иначе касается философских проблем естествознания. Более глубокая связь естествознания с философией свидетельствует о более высоком уровне его развития. Естественно, с течением времени теоретическое мышление с философской ориентацией меняется и приобретает различные формы и содержание. Лучших результатов достигнет естествоиспытатель, свободно владеющий своими узкопрофессиональными вопросами и достаточно легко ориентирующийся в общих философских вопросах, связанных прежде всего с диалектикой и теорией естественно – научного познания.
Стремление ученых создать научную картину мира сближает естествознание с философией. Научная картина мира обладает большей общностью, чем теоретические схемы конкретных естественнонаучных утверждений. Она образуется посредством особых связей отдельных элементов познания и представляет собой весьма общую идеальную модель реальных процессов, явлений и свойств вещества, исследуемых в рамках узких отраслей естествознания. В широком понимании научная картина мира выражает общее знание о природе, характерное для данного этапа развития общества. Описание картины мира в общем представлении создает понятия, более или менее близкие к понятиям повседневного, обыденного языка.
В те периоды развития естествознания, когда на смену старой картины мира приходит новая, при постановке эксперимента возрастает роль философских идей в виде теоретических постулатов, на основе которых реализуется эксперимент.
В эпоху становления физики как науки, когда специальных естественнонаучных теорий не существовало, ученые, как правило, руководствовались общими философскими представлениями о единстве и родстве материальных объектов и явлений природы. Например, Г. Галилей, закладывая основы классической механики, опирался на общую модель единства мира. Такая идея помогла “земными глазами” взглянуть на небо и описать движение небесных тел по аналогии с движением тел на Земле, что в свою очередь подтолкнуло ученых к более тщательному изучению различных форм механического движения, в результате чего были открыты классические законы механики.
Особенно важна роль теоретических предпосылок эксперимента, когда сложившиеся теоретические знания служат основой новых естественнонаучных проблем и гипотез, требующих предварительного эмпирического обоснования.
В современных условиях возрастает роль теоретической работы на подготовительном этапе эксперимента, на каждой операции его по-разному включаются те или иные теоретические и практические процедуры исследований. Можно назвать четыре основные операции подготовительного этапа эксперимента:
· • постановка задачи эксперимента и выдвижение гипотетических вариантов её решения;
· • разработка программы экспериментального исследования;
· • подготовка исследуемого объекта и создание экспериментальной установки;
· • качественный анализ хода эксперимента и корректировка программы исследования и приборного обеспечения.
Выдвинутая гипотеза вместе с выводимыми из неё следствиями служит основой, определяющей цели, задачи и практические средства эксперимента. В одних случаях при сложившейся теоретической схеме гипотеза может обладать высокой степенью достоверности. Такая гипотеза жестко задает программу эксперимента и нацеливает его на поиск теоретически предсказанного результата. В других случаях, когда теоретическая схема только-только зарождается, степень достоверности гипотезы может быть не высокой. При этом теория лишь эскизно задает схему эксперимента, увеличивается число проб и ошибок.
На подготовительной стадии эксперимента огромную, неоценимую роль играет изобретательская и конструкторская работа как научный творческий процесс. Успех любой экспериментальной работы зависит от таланта ученого, определяемого его прозорливостью, глубиной абстрактного мышления, оригинальностью решения технических задач, способностью к изобретательской деятельности, представляющей собой последовательный, целенаправленный переход от теоретического знания к практическому поиску.
Таким образом, хотя эксперимент основывается на практической деятельности, но, будучи естественнонаучным методом познания действительности, он включает логические и теоретические средства, гармоническое сочетание которых и позволяет успешно решить поставленную задачу.
Сочетание практических и теоретических знаний
В истории естествознания прослеживается тенденция развития процесса познания от качественного изучения объекта или явления к установлению их количественных параметров и выявлению общих закономерностей, выраженных в строгой математической форме. Строгость и точность экспериментальных сведений при этом зависит от совершенства методов измерений и чувствительности разрешающей способности и точности измерительной техники.
Современный эксперимент характеризуется высокой точностью измерений. Можно назвать несколько путей повышения точности:
1) введение новых эталонов;
2) применение чувствительных приборов;
3) учет всех условий, влияющих на объект;
4) сочетание разных видов измерений;
5) автоматизация процесса измерений.
Оптимальное сочетание данных путей определяется субъективным свойством естествоиспытателя и в большой степени зависит от степени совершенства экспериментальной техники.
Организация постоянного взаимодействия наблюдения, измерения и количественного описания в процессе эксперимента опосредуется теоретическими знаниями, включающими философское представление о картине мира, гипотезы и т. д.
Теоретические знания в ходе эксперимента лежат в основе:
— формирования сложного объекта исследований;
— перегруппировки элементов объекта, скрытых от непосредственного наблюдения;
— фиксации и регистрации экспериментальных данных;
— интерпретации полученных данных и их сопоставления с теоретическими.
Обработка экспериментальных результатов
После получения первых экспериментальных результатов процедура эксперимента продолжается. Во-первых, как правило, разовый эксперимент не дает окончательного ответа на поставленный вопрос. Во-вторых, полученные экспериментальные результаты нуждаются в логической доработке, превращающей их в научный факт, т. е. в то, в истинности чего не возникает сомнений.
Представление о фактах как проявлениях действительности, непосредственно фиксируемых в формах чувственного отражения, сложилось в науке на ранней стадии зарождения естествознания. Практика современного естествознания показывает, что не все факты непосредственно воспринимаются, чаще всего факты не являются тем, что бросается сразу в глаза и может быть зафиксировано всеми, кто обладает нормальным зрением.
Факты в естествознании не просто собираются, а активно формируются естествоиспытателем, что отнюдь не снижает их объективности. В равной мере и теория, несмотря на проявление творческой активности субъекта, не утрачивает своей объективности, если она истинна.
Отдельные экспериментальные данные, полученные на начальной стадии эмпирического исследования, сами по себе не становятся фактами науки. В них могут содержаться ошибки, связанные с некорректной постановкой эксперимента, неправильными показаниями измерительных приборов, отклонениями в функционировании органов чувств и т. п. Поэтому в естествознании, как правило, проводится не один, а серия экспериментов. Уточняются и проверяются результаты эксперимента, собираются недостающие сведения, проводятся дополнительные эксперименты. Затем полученные в серии экспериментов данные подвергаются математической обработке.
При кажущейся простоте получения и обработки первичных экспериментальных данных, т. е. результатов наблюдений и измерений, математическая обработка, обладая определенной спецификой, производится в рамках строгой теории ошибок, на основании которой количественно определяется достоверность окончательных результатов. Сколь бы точными ни были наблюдения и измерения, погрешности неизбежны, и задача естествоиспытателя заключается в том, чтобы приблизить экспериментальные данные к объективным значениям определяемых величин, т. е. уменьшить интервал неточности. Для этого каждый исследователь должен иметь представление обо всех ошибках, встречающихся в практике экспериментального исследования. Современная теория ошибок вооружает экспериментаторов надежными средствами корректировки экспериментальных данных.
Таким образом, научный факт, полученный в эксперименте, представляет собой результат обобщения совокупности выводов, основанных на наблюдениях и измерениях характеристик исследуемого объекта при предсказании их в виде гипотезы.
2. Современные средства естественнонаучных исследований
Специфика современных, экспериментальных и теоретических исследований
На протяжении всех этапов эксперимента естествоиспытатель руководствуется в той или иной форме теоретическими знаниями. В последнем столетии в силу ряда объективных причин основной профессиональной деятельностью некоторых ученых стала исключительно теоретическая работа. Одним из первых ученых, который не проводил никаких экспериментов, был немецкий физик Макс Планк.
Произошло, таким образом, деление естествоиспытателей на профессиональных теоретиков и экспериментаторов. Во многих отраслях естествознания возникли экспериментальные и теоретические направления и в соответствии с ними появились специализированные лаборатории и даже институты, например Институт теоретической физики. Такой процесс наиболее активно проходит во второй половине XX столетия. В прежние времена не только Ньютон и Гюйгенс, но и такие выдающиеся теоретики, как Максвелл, обычно сами экспериментально проверяли свои теоретические выводы и утверждения. В последние же десятилетия только в исключительных случаях
теоретик проводит экспериментальную работу, чтобы подтвердить выводы своих теоретических изысканий.
Одна из существенных объективных причин профессиональной обособленности экспериментаторов и теоретиков заключается в том, что технические средства эксперимента значительно усложнилась. Экспериментальная работа требует концентрации больших усилий, она не под силу одному человеку и выполняется в большинстве случаев целыми коллективом научных работников. Например, для проведения эксперимента с применением ускорителя, реактора и т. п. требуется относительно большой штат научных сотрудников. Поэтому даже при большом желании теоретик не в состоянии проверить на практике свои теоретические выводы и предложения.
Еще в 60-е годы нынешнего столетия, когда практически все отрасли естествознания находились на подъеме, академик П. Л. Капица с тревогой говорил о разрыве между теорией и экспериментом, между теорией и жизнью, между теорией и практикой, отмечая отрыв теоретической науки от жизни, с одной стороны, и, с другой стороны, недостаточно высокое качество экспериментальных работ, что нарушает гармоническое развитие науки.
Гармоническое развитие естествознания возможно тогда, когда теория опирается на достаточно крупную экспериментальную базу. А это означает, что для экспериментатора нужна хорошая материальная база: помещение со всевозможным специальным оборудованием, большой набор высокочувствительных приборов, специальные материалы, мастерские и т. п. Темпы развития естествознания в значительной степени обусловливаются совершенством такой материальной базы.
Работа крупных ученых-естествоиспытателей, внесших большой вклад в развитие современного естествознания, несомненно проходила в тесной взаимосвязи теории и эксперимента. Поэтому для развития естествознания на здоровой почве всякое теоретическое обобщение должно непременно проверяться на опыте. Только гармоническое развитие эксперимента и теории способно поднять на качественно новый уровень все отрасли естествознания.
Современные методы и технические средства эксперимента
Для экспериментальных исследований многих физических, химических и биологических процессов весьма важны три направления развития лазерной техники:
— разработка лазеров с перестраиваемой длиной волны излучения;
— создание ультрафиолетовых лазеров;
Чем шире спектр излучения лазера, в котором он может перестраиваться, тем ценнее такой лазер для исследователя. Среди лазеров с перестраиваемой длиной волны широко применяются лазеры на красителях. Длина волн излучения таких лазеров охватывает спектр от ближней ультрафиолетовой области До ближней инфракрасной, включая видимый диапазон, и легко перестраивается в этом спектре. К настоящему времени разработаны лазеры, длина волны которых составляет менее 300 нм, т. е. соответствует ультрафиолетовой области. К таким лазерам относится, например, криптон-фторидный лазер.
Разрабатываются лазеры, длительность импульса излучения которых составляет менее 1 пс. Такие лазеры, несомненно, позволят определить механизм физических, химических и биологических процессов, протекающих с чрезвычайно высокой скоростью.
Синхротронные источники излучения.
Экспериментальные методы расшифровки сложных структур.
Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основан на анализе взаимодействия магнитного момента атомных ядер с внешним магнитным полем. Это один из важнейших методов в разных отраслях естествознания, в особенности, в химии: химии синтеза, химии полимеров, биохимии, медицинской химии и т. п. С помощью метода ЯМР можно определить, например, химическое окружение атомов водорода даже в таких сложных молекулах, как сегменты ДНК. Прогресс в развитии спектроскопии ЯМР зависит от возможности создания сильного магнитного поля, которое можно получить с помощью компактных сверхпроводящих магнитов. Созданный в 1973 г. томограф, основанный на ЯМР, позволяет наблюдать картину распределения химических отклонений и концентрации ядер таких крупных объектов, как тело человека, что весьма важно при диагностике ряда заболеваний, в том числе и злокачественных опухолей.
С применением лазерного источника излучения и персонального компьютера возможности оптического спектрометра значительно расширяются: такой спектрометр способен обнаружить отдельную молекулу или даже атом любого вещества.
С помощью метода индуцированной лазерной флуоресценции можно регистрировать загрязнение воздуха на расстоянии около двух километров.
В масс-спектроскопии исследуемое вещество вначале превращается в газовую фазу, затем газ конденсируется и ионы ускоряются до заданной кинетической энергии электрическим полем. Масса частиц может быть определена двумя способами:
измерением радиуса кривизны траектории иона и измерением времени пролета им заданного расстояния.
Современные электрохимические методы в сочетании с высокочувствительной аппаратурой открывают новые возможности исследования структуры и функций живой клетки: с помощью электродов, площадь которых составляет всего лишь несколько микрометров, можно регистрировать процессы, происходящая внутри клетки.
Важнейшие достижения современного естествознания
Высокотемпературная сверхпроводимость. История сверхпроводимости начинается с 1911 г, когда датский ученый X. Камер-линг-Оннес, исследуя электрическое сопротивление охлажденных металлов, обнаружил, что при охлаждении ртути до температуры
С 1986 г. начинается новый этап исследования сверхпроводимости, положивший начало высокотемпературной сверхпроводимости: был синтезирован четырехкомпонентный материал на основе оксидов меди, температура перехода которых составляла приблизительно 37 К. Затем через непродолжительное время температуру перехода удалось поднять до 40, 52, 70, 92 и д же выше 100 К. В результате многочисленных эксперимент было установлено, что четырехкомпонентные оксиды меди, обладающие сложной кристаллической структурой, переходят в сверхпроводящее состояние примерно при 94 К.
Широкое применение сверхпроводников позволит существенно сократить рассеяние энергии в различного рода электрических цепях, и особенно при электропередаче, потери которой составляют около 20% при использовании обычных проводников.
Экспериментальное исследование смешивания двух газообразных соединений, проведенное более 10 л назад, позволило установить распределение энергии между молекулами. Например, в результате реакции атомного водорода молекулярным хлором в газовой форме образуется хлороводород и атомарный хлор, которые излучают инфракрасный свет. Анализ спектра излучения показывает, что существенная часть энергии (около 40%) представляет собой энергию колебательного движения молекулы НС1. За открытие такого рода явлений Джону Поляни (Университет Торонто) присуждена Нобелевская прем! по химии. Данные исследования привели к созданию перво химического лазера — лазера, получающего энергию от взрыва смеси водорода с хлором. Химические лазеры отличаются от обычных тем, что превращают в когерентное излучение не энергию электрического источника, а энергию химической реакции. Открыты десятки химических лазеров, в том числе и достаточно мощные для инициирования термоядерного синтеза (йодный лазер) и для военных целей (водородно-фторидный лазер).
С применением химических методов в течение всего лишь 15 лет синтезированы химические элементы с номерами от 104 до 109. Было найдено много новых изотопов элементов, расположенных выше урана. Исследования изотопов позволили не только количественно описать многие ядерные процессы, но и определить свойства, от которых зависит устойчивость атомных ядер.
В последние десятилетия методы ядерной химии нашли яркое применение при исследовании грунта планет Солнечной системы и Луны. Например, для химического анализа грунта Луны применялся трансурановый элемент. Такой метод позволил определить около 90% элементов в трех различных местах лунной поверхности. Анализ изотопного состава образцов лунного грунта, метеоритов и других небесных тел помогает сформировать представление об эволюции Вселенной.
Ядерная химия применяется и в медицине. Например США ежегодно назначается около 20 млн. процедур с применением радиоактивных препаратов. Особенно широко распространено лечение щитовидной железы радиоактивным йодом. Практика показывает, что химические соединения радиоактивного технеция обладают терапевтическими свойствами. Позитрона метод, основанный на взаимодействии с исследуемым объектом позитронов, испускаемых короткоживущими изотопами углерода и фтора, а также применение стабильных изотопов в сочетании со спектроскопией ЯМР дают возможность исследования процессов обмена веществ в живых организмах и служат весьма эффективным средством ранней диагностики заболеваний.
Химический синтез ДНК.
В полимерных молекулах ДНК природа кодирует информацию, необходимую для создания живого организма. Цепочка из повторяющихся сложноэфирных фосфатных связей между сахарами образует жесткий скелет ДНК, на котором информация записывается с помощью особого алфавита из четырех аминов аденина, тимина, цитозина и гуанина (А, Т, С, G). Последовательность таких циклических аминов кодирует информацию. Каждый из аминов содержит несколько атомов азота, ковалентно связанных с фрагментами сахаров. Двойная спираль ДНК включает водородные связи между аминами. Информацию, записанную в молекуле ДНК, можно прочитать, разрывая и вновь создавая относительно слабые водородные связи, совсем не затрагивая более прочные связи сахар-фосфат в цепочке-матрице.
Первый химический синтез гена, осуществленный более 20 лет назад, потребовал многолетней напряженной работы. В промышленных лабораториях уже синтезированы гены инсулина и интерферона. Произведен синтез гена для фермента рибо-нуклеозы, открывающей возможность изменять желаемым образом физические и химические свойства белка. Однако самыми современными методами получаются фрагменты генов длиной в сотни пар оснований, а для дальнейших исследований нужны фрагменты в 100 и более раз длиннее.
В высших организмах, в том числе и в организме человека, доля нуклеотидов в цепи ДНК, которые действительно кодируют последовательность аминокислот в белках, составляет только около 5%. Установлено, что в остальных нуклеотидных последовательностях ДНК закодирована информация о форме молекул ДНК. Например, выгибание фуранозного цикла (пятичленного циклического моносахарида), который существует как в ДНК, так и в РНК, приводит к подвижности их скелета.
Данный метод осуществления специфических мутации нормальных белках получил название мутагенеза. Он позволяет получить белки любой желаемой структуры. Кроме того, с раз синтезированная молекула гена, кодирующего белок, с мощью микроорганизмов может воспроизвести белок в угодных количествах.
Успехи, достигнутые в разных отраслях естественных наук, открыли новые возможности в понимании строе геномов человека и других сложных организмов. Ученые научились соединять ДНК из разных организмов, определять и выделять сегменты ДНК, кодирующие нужный белок, определять нужные последовательности в больших фрагментах ДНК.
3. Экспериментальные измерения
Любому материальному объекту присущи вполне определенные свойства, большинство из которых характеризуется численным величинами. Например, для куска медного провода можно определить следующие величины: диаметр, длину, массу, электропроводность, температурный коэффициент расширения, электрическое сопротивление и др. Некоторые свойства объектов явления природы труднее поддаются количественному описанию. К ним можно отнести, например, цвет, блеск, способность противостоять многократным изгибам. Однако даже в таких случаях необходимо определить соответствующие данным свойствам количественные характеристики, без знания которых невозможно описать объект для достаточно точного его воспроизведения.
При косвенном измерении определяемая величина вычисляется по формуле, включающей результаты прямых измерений. К косвенным измерениям относятся, например, определение площади прямоугольника по измеренным двум его сторонам, определение сопротивления участка цепи по силе тока и напряжению, определение концентрации примесей по интенсивности ее спектральных линий и т. п.
Независимо от способа измерений определение той или иной физической величины сопровождается ошибкой, показывающей, насколько искомая величина отличается от ее истинного значения.
По отношению к истинному значению различают абсолютную и относительную ошибки измерений. С учетом причин, по рождающих ошибки, обычно выделяют систематические, случайные и приборные ошибки. При такой классификации н учитываются грубые ошибки, вызванные невниманием при снятии показаний приборов, неправильной записью измеряемы данных, ошибками при вычислениях и т. п. Такие ошибки н подчиняются какому-либо закону и устраняются при промежуточной оценке результатов измерений.
Систематические ошибки обусловливаются факторами, действующими одинаково при многократном повторении измерений. Возникают они чаще всего при неисправности измерительных приборов, неточности метода измерений и при использовании для расчетов неточных данных.
Если, например, стрелка амперметра изогнута или смещен “нуль” прибора, то при измерении таким прибором всегда получится ошибочная величина. Сколько бы раз ни проводились измерения, как бы тщательно ни записывались показания прибора, в измерениях всегда будет одна и та же ошибка. Для устранения систематической ошибки, вызванной неисправность к прибора, необходимо ввести соответствующие поправки, полученные при сравнении показания неисправного прибора с заведомо исправным.
Сущность систематических ошибок, обусловленных методом измерений, можно пояснить на примере определения электрического сопротивления, при котором возникает систематическая ошибка, вызванная электрическим сопротивлением соединительных проводов в цепи измерительной схемы. Для устранения ее нужно ввести поправки на неучтенное сопротивление.
Иногда для устранения систематических ошибок требуется тщательная проверка всех измерительных приборов и кропотливый анализ метода измерений.
Случайные ошибки вызываются факторами, действующими неодинаковым, непредсказуемым образом в каждом отдельном измерении. Они возникают при совокупном действии многих факторов и остаются при устранении грубых и систематических ошибок. Можно назвать многочисленные объективные и субъективные причины случайных ошибок: изменение напряжения в сети при электрических измерениях, неоднородность вещества при определении плотности, изменение условий окружающей среды (температуры, давления), возбужденное состояние производящего измерения и др. Подобные причины приводят к тому, что несколько измерений одной и той же величины дают различные результаты. К случайным ошибкам, кроме того, следует отнести все те ошибки, многочисленные причины которых неизвестны или неясны.
Случайные ошибки подчиняются законам теории вероятностей, установленным для случайных явлений. С помощью методов теории вероятностей можно уменьшить влияние случайных ошибок на результат эксперимента. Широко известен нормальный закон распределения случайных ошибок (закон Гаусса), из которого следуют важные выводы:
— • малые по модулю ошибки встречаются чаще;
— • равные по модулю случайные ошибки разных знаков встречаются одинаково часто;
— • с возрастанием точности (уменьшением интервала разброса измеренных значений) плотность случайных ошибок возрастет.
Теория случайных ошибок позволяет определить наиболее вероятные значения измеряемых величин и возможные отклонения от них. Однако следует отметить, что выводы теории вероятностей справедливы только для достаточно большого числа случайных событий. Поэтому, строго говоря, применение теории случайных ошибок целесообразно только к сравнительно большому числу измерений. На практике же часто ограничиваются 5-10 измерениями, хотя следует помнить, что увеличен числа измерений уменьшает влияние случайных ошибок. В каждом конкретном случае устанавливается необходимое число измерений для получения заданной точности.
Пользовании измерительными приборами нужно добиваться достаточно большого отклонения стрелки, не меньше, чем на половину шкалы. Для этого нужно выбирать прибор с достаточной чувствительностью или переходить к меньшим пределам измерений многопредельного прибора.
Большинство приборов, предназначенных для измерения разных физических величин, содержит линейные, угловые или круговые шкалы. Показание того или иного прибора соответствует длине отрезков прямой или дуги. Чем больше точность прибора, тем больше должно быть число делений, на которые разбита шкала. Для одной и той же шкалы с увеличением числа делений расстояние между штрихами уменьшается.
Иногда для отсчета долей деления применяется специальный циферблат, указатель которого связан с перемещением измерительного устройства механической передачей. В оптических приборах современных конструкций наносятся микроскопические цифры около каждого штриха шкалы, и показание отсчетов снимается при помощи отсчетного микроскопа, в поле зрения которого видна только одна необходимая цифра и дополнительная шкала для отсчета долей деления.
Для измерения электрических величин применяются электроизмерительные приборы. Принцип действия их основан на превращении электрической энергии в другие виды энергии, например, механическую, тепловую, магнитную и тд. Каждый электрический прибор состоит принципиально из двух частей: электрического и отсчетного механизмов. Отсчетный механизм большинства приборов содержит шкалу и указатель. Указатель определяет точку шкалы, соответствующую отсчету измеренной величины. Обычно указатель представляет собой тонкую стрелку или световое пятно. В современных электроизмерительных приборах отсчетным устройством служит электронное табло с цифровой индикацией, очень удобной при снятии показаний прибора.
Электроизмерительные приборы широко применяются и для измерения неэлектрических величин: температуры, давления, скорости движения, освещенности и т. п. Принцип действия таких приборов основан на связи между электрическими и другими физическими явлениями. Такая связь обусловливает возникновение термотоков, фототоков, электромагнитной индукции и т. п.
В измерительной практике часто встречаются косвенные измерения, в основу которых положены законы или закономерности, устанавливающие зависимость между различными физическими величинами. Например, электрическое сопротивление проводника можно определить, измерив падение напряжения на нем и силу тока.
Электрические измерения можно производить двумя способами:
2) с помощью приборов, показывающих численные значения измеряемой величины.
По своему назначению основные электроизмерительные приборы можно классифицировать следующим образом:
— • приборы для измерения емкости и т. п.
По принципу действия электроизмерительные приборы подразделяются на магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, тепловые, индукционные, электронные и другие системы.
О единстве теоретической и экспериментальной деятельности
Единство теоретической и экспериментальной деятельности реализуется в общественном процессе познания, в интеграции специализированных видов деятельности. Экспериментальная деятельность всегда включает теоретическую, а теоретическая деятельность должна учитывать результаты экспериментов и наблюдений. Понимание диалектики познания заставляет нас выступать как против плоского эмпиризма, так и против преувеличенного умозрения, в котором отсутствует разумная научная постановка вопросов, основанная на обобщении результатов эксперимента. Ученые отвергают обе эти крайности. Так, часто подчеркивается, что нет ничего практичнее хорошей теории. Однако можно отметить также и то, что плохая теория исчезает, а удавшийся эксперимент остается. Он служит основанием все новых и новых попыток интерпретации. Хорошая теория подтверждается данными эксперимента и может использоваться на практике. Вопрос о том, должны ли в определенной области науки в какой-либо стране предприниматься усилия специально либо в экспериментальной, либо в теоретической области, нельзя решить только на основании теоретико-познавательных соображений. Для этого необходим анализ состояния развития науки, общественных потребностей и возможностей использования материальных и духовных потенций. Вместе с тем существует целый ряд проблем теорий познания, исследование которых должно продолжаться с учетом реализации в общественном процессе познания, а также в мышлении экспериментаторов и теоретиков единства экспериментальной и теоретической деятельности. Укажем здесь лишь на три проблемы: проблему сбора и анализа информации, ее упрощения и соотношения материализации и построения теорий.
Экспериментальная деятельность и наблюдения дают множество данных. С помощью электронно-вычислительной техники производится их накопление. Их анализ предполагает, что речь идет о существенных данных, то есть о данных, определяющих характер исследуемых объектов или процессов. Для того чтобы выявить существенные, необходимые теоретические представления, объясняющих на уровне гипотез возможные результаты экспериментов и наблюдений.
Теоретический анализ данных, их объяснение с помощью теории представляет важный шаг в развитии науки, который может привести к последующим целенаправленным экспериментам. Целенаправленный сбор существенных данных предполагает теоретические рассуждения, а недостатки в теории могут очень скоро превратиться в методологически границы для анализа данных.
Интересно, что, исследуя процесс образования структур при необратимых процессах, физика создает типовые физические теории биологической эволюции, в которых старая проблема связей между образованием структур и сохранением энтропии рассматривается в новых аспектах. Таким образом, единство экспериментальной и теоретической деятельности соотносится с историческим процессом, в ходе которого возникают и исчезают объекты и процессы, изменяются механизмы эволюции, а существующие в настоящее время структуры сохраняют следы прошедшего.
К. Фукс выдвинул следующий тезис: “Теория отрасли науки – совокупность знаний о закономерных связях в данной области. Она является общим результатом экспериментальной и теоретической деятельности.”