Емпіричні методи наукового пізнання

Наукове спостереження

Спостереження - це чуттєве (переважно - візуальне) відображення предметів і явищ зовнішнього світу. Спостереження - це цілеспрямоване вивчення предметів, яке опирається в основному на такі чуттєві здатності людини, як відчуття, сприйняття, уявлення; в ході спостереження ми отримуємо знання про зовнішні сторони, властивості і ознаки розглянутого об'єкта.

Наукове спостереження (на відміну від повсякденних спостережень) характеризується рядом особливостей:

- цілеспрямованістю (спостереження повинно проводитися для вирішення поставленого завдання дослідження, а увага спостерігача фіксуватися тільки на явищах, пов'язаних із цим завданням);

- планомірністю (спостереження повинно проводитися суворо за планом, складеним виходячи з завдання дослідження);

- активністю (дослідник повинен активно шукати, виділяти потрібні йому моменти в спостережуваному явищі, залучаючи для цього свої знання і досвід, використовуючи різні технічні засоби спостереження).

Наукові спостереження завжди супроводжуються описом об'єкта пізнання. Емпіричний опис - це фіксація засобами природної або штучної мови відомостей про об'єкти, даних у спостереженні. За допомогою опису чуттєва інформація перекладається на мову понять, знаків, схем, малюнків, графіків і цифр, приймаючи тим самим форму, зручну для подальшого раціонального оброблення. Остання необхідна для фіксування тих властивостей, сторін досліджуваного об'єкта, які становлять предмет дослідження. Описи результатів спостережень утворюють емпіричний базис науки, опираючись на який дослідники створюють емпіричні узагальнення, порівнюють досліджувані об'єкти за тими або іншими параметрами, проводять класифікацію їх за певними властивостями, характеристикам, з'ясовують послідовність етапів їхнього становлення і розвитку.

Майже кожна наука проходить зазначену первинну, “описову” стадію розвитку. При цьому основні вимоги, які висуваються до наукового опису, спрямовані на те, щоб він був якомога повним, точним і об'єктивним. Опис повинен давати достовірну і адекватну картину самого об'єкта, точно відображати досліджувані явища. Важливо, щоб поняття, використовувані для опису, завжди мали чіткий і однозначний зміст. При розвитку науки, зміні її основ, змінюються засоби опису, часто створюється нова система понять.

При спостереженні відсутня діяльність, спрямована на перетворення, зміну об'єктів пізнання. Це обумовлюється низкою обставин: недоступністю цих об'єктів для практичного впливу (наприклад, спостереження віддалених космічних об'єктів), небажаністю, виходячи з цілей дослідження, втручання в спостережуваний процес (фенологічні, психологічні та ін. спостереження), відсутністю технічних, енергетичних, фінансових або інших можливостей постановки експериментальних досліджень об'єктів пізнання.

За способом проведення спостереження можуть бути безпосередніми і опосередкованими.

При безпосередніх спостереженнях ті або інші властивості, сторони об'єкта відображаються, сприймаються органами чуття людини. Такого роду спостереження дали чимало корисного в історії науки. Відомо, наприклад, що спостереження положення планет і зірок на небі, що проводилися протягом більше двадцяти років Тихо Браге з неперевершеною для неозброєного ока точністю, виявилися емпіричною основою для відкриття І. Кеплером його знаменитих законів.

Хоча безпосереднє спостереження продовжує відігравати важливу роль в сучасній науці, однак найчастіше наукове спостереження буває опосередкованим, тобто проводиться з використанням тих чи інших технічних засобів. Поява і розвиток таких засобів багато в чому визначили те величезне розширення можливостей методу спостережень, що відбулося за останні чотири століття.

Якщо, наприклад, до початку XVII ст. астрономи спостерігали за небесними тілами неозброєним оком, то винахід Галілеєм у 1608 році оптичного телескопа підняв астрономічні спостереження на новий, набагато вищий щабель.

Розвиток сучасного природознавства пов'язаний з підвищенням ролі так званих непрямих спостережень. Так, об'єкти і явища, досліджувані ядерною фізикою, не можуть прямо спостерігатися ні за допомогою органів чуття людини, ні за допомогою найдосконаліших приладів. Наприклад, при вивченні властивостей заряджених частинок за допомогою камери Вільсона ці частинки сприймаються дослідником побічно - за такими видимими їхніми проявами, як утворення треків, що складаються з безлічі крапельок рідини.

При цьому будь-які наукові спостереження, хоча вони опираються в першу чергу на роботу органів чуття, потребують у той же час участі і теоретичного мислення. Дослідник, опираючись на свої знання, досвід, повинен усвідомити чуттєві сприйняття і виразити їх (описати) або в поняттях звичайної мови, або - більш суворо і скорочено - у певних наукових термінах, у певних графіках, таблицях, рисунках і под. Наприклад, підкреслюючи роль теорії в процесі непрямих спостережень, А. Ейнштейн в розмові з В. Гейзенбергом відмітив: «Можно ли наблюдать данное явление или нет — зависит от вашей теории. Именно теория должна установить, что можно наблюдать, а что нельзя» [3].

Спостереження можуть нерідко відігравати важливу евристичну роль у науковому пізнанні. У процесі спостережень можуть бути відкриті зовсім нові явища, що дозволяють обґрунтувати ту чи іншу наукову гіпотезу.

З усього вищесказаного виходить, що спостереження є досить важливим методом емпіричного пізнання, що забезпечує збирання великого обсягу інформації про навколишній світ. Як показує історія науки, при правильному використанні цього методу він виявляється досить плідним.

Вимірювання

Більшість наукових спостережень (а тим більше - наукових експериментів) містить у собі проведення різних вимірювань.

В основі операції вимірювання лежить порівняння об'єктів за якими-небудь подібними властивостями або сторонами з еталонним об'єктом. Щоб здійснити таке порівняння, необхідно мати певні одиниці вимірювання, наявність яких дає можливість виразити досліджувані властивості з боку їхніх кількісних характеристик. В свою чергу, це дозволяє широко використовувати в науці математичні засоби і створює передумови для математичного вираження емпіричних залежностей. Порівняння однак використовується не тільки в зв'язку з вимірюванням, про що буде сказано докладніше в підрозділі 4.4.

Важливою стороною процесу вимірювання є методика його проведення. Вона являє собою сукупність прийомів, що використовують певні принципи і засоби вимірювання. Під принципами вимірювання в цьому випадку мають на увазі певні явища, що покладені в основу вимірювань (наприклад, вимірювання температури з використанням термоелектричного ефекту).

Існує кілька видів вимірювань. Виходячи з характеру залежності вимірюваної величини від часу, вимірювання поділяють на статичні і динамічні. При статичних вимірюваннях величина, яку ми вимірюємо, залишається сталою в часі (вимірювання розмірів тіл, сталого тиску і под.). До динамічного належать такі вимірювання, в процесі яких вимірювана величина змінюється в часі (вимірювання вібрації, пульсуючих тисків і под.).

За способом отримання результатів розрізняють вимірювання прямі і непрямі. У прямих вимірюваннях шукане значення вимірюваної величини отримується шляхом безпосереднього порівняння її з еталоном або видається вимірювальним приладом. При непрямому вимірюванні шукану величину визначають на основі відомої математичної залежності між цією величиною та іншими величинами, одержуваними шляхом прямих вимірювань (наприклад, знаходження питомого електричного опору провідника за його опором, довжиною і площею поперечного перерізу).

З прогресом науки просувається вперед і вимірювальна техніка. Поряд з вдосконаленням існуючих вимірювальних приладів, що працюють на основі традиційних стійких принципів (заміна матеріалів, з яких зроблені деталі приладу, внесення в його конструкцію окремих змін і т. д.), відбувається перехід на принципово нові конструкції вимірювальних пристроїв, обумовлені новими теоретичними передумовами. В останньому випадку створюються прилади, в яких знаходять реалізацію нові наукові досягнення. Так, наприклад, розвиток квантової фізики істотно підвищив можливості вимірювання з високим ступенем точності. Використання ефекту Мессбауера дозволяє створити прилад з роздільною здатністю порядку 10^-13 % вимірюваної величини. Добре розвинене вимірювальне приладобудування, різноманітність методів і високі характеристики засобів вимірювання сприяють прогресу в наукових дослідженнях. В свою чергу, розв’язання наукових проблем, як ми вже відзначали вище, часто відкриває нові шляхи вдосконалювання самих вимірювань.

Науковий експеримент

Експеримент - більш складний метод емпіричного пізнання в порівнянні зі спостереженням і вимірюванням. Він припускає активний, цілеспрямований і суворо контрольований вплив дослідника на досліджуваний об'єкт для виявлення і вивчення тих чи інших його сторін, властивостей, зв'язків. При цьому експериментатор може перетворювати досліджуваний об'єкт, створювати штучні умови його вивчення, втручатися в природний плин процесів.

У загальній структурі наукового дослідження експеримент займає особливе місце. З одного боку, саме експеримент може виступати з'єднувальною ланкою між теоретичним і емпіричним етапами і рівнями наукового дослідження. За своїм задумом експеримент завжди опосередкований попереднім теоретичним знанням: він замислюється на основі відповідних теоретичних знань, і його метою найчастіше є підтвердження або спростування наукової теорії або гіпотези.

Експериментально орієнтовані вчені навіть стверджують часом, що розумно продуманий і “хитро”, майстерно поставлений експеримент вище теорії: теорія може бути начисто спростована, а достовірно добутий досвід - ні!

Експеримент містить в собі інші методи емпіричного дослідження (спостереження і вимірювання). У той же час він має низку важливих, властивих тільки йому особливостей.

По-перше, експеримент дозволяє вивчати об'єкт в “очищеному” вигляді, тобто усувати всякого роду побічні фактори, нашарування, що утрудняють процес дослідження.

По-друге, у ході експерименту об'єкт може бути поставлений у деякі штучні, зокрема, екстремальні умови, тобто вивчатися при наднизьких температурах, при надзвичайно високих тисках або, навпаки, у вакуумі, при величезних напруженостях електромагнітного поля і под. У таких штучно створених умовах вдається виявити дивні, часом несподівані, властивості об'єктів й, тим самим, глибше осягти їхню сутність.

По-третє, вивчаючи який-небудь процес, експериментатор може втручатися в нього, активно впливати на його протікання. Як відзначав академік Іван Павлов (1849 - 1936), «...опыт как бы берёт явления в свои руки и пускает в ход то одно, то другое и таким образом в искусственных, упрощённых комбинациях определяет истинную связь между явлениями. Иначе говоря, наблюдение собирает то, что ему предлагает природа, опыт же берёт у природы то, что хочет». [4]

По-четверте, важливим достоїнством багатьох експериментів є їхня відтворюваність. Це означає, що умови експерименту, а відповідно і проведені при цьому спостереження, вимірювання можуть бути повторені стільки разів, скільки це необхідно для одержання достовірних результатів.

Підготовка і проведення експерименту вимагають дотримання ряду умов. Так, науковий експеримент:

- ніколи не ставиться навмання, він припускає наявність чітко сформульованої мети дослідження;

- не робиться наосліп, він завжди базується на певних вихідних теоретичних положеннях. Без ідеї в голові, казав І. П. Павлов, взагалі не побачиш факту;

- не проводиться безпланово, хаотично, попередньо дослідник намічає шляхи його проведення;

- вимагає певного рівня розвитку технічних засобів пізнання, необхідного для його реалізації;

- повинен проводитися людьми, що мають досить високу кваліфікацію.

Тільки сукупність всіх цих умов визначає успіх в експериментальних дослідженнях.

Залежно від характеру проблем, розв'язуваних в ході експериментів, останні зазвичай поділяються на дослідницькі і перевірні.

Дослідницькі експерименти дають можливість виявити в об'єкта нові, невідомі властивості. Результатом такого експерименту можуть бути висновки, що не випливають з наявних знань про об'єкт дослідження. Прикладом можуть служити експерименти, поставлені в лабораторії Е. Резерфорда, які привели до виявлення ядра атома, а тим самим і до народження ядерної фізики.

Перевірні експерименти служать для перевірки, підтвердження тих чи інших теоретичних побудов. Так, існування цілого ряду елементарних частинок (позитрона, нейтрино та ін.) було спочатку передбачено теоретично, і лише пізніше вони були виявлені експериментальним шляхом.

Серед перевірних експериментів виділяють також так звані вирішальні експерименти (experimentum єгизіз), що відрізняються своєю високою значимістю при оцінюванні (підтвердженні або спростуванні) якої-небудь важливої гіпотези або теорії.

Виходячи з методики проведення і одержуваних результатів, експерименти можна поділити на якісні і кількісні.

Якісні експерименти носять пошуковий характер і не приводять до одержання яких-небудь кількісних співвідношень. Вони дозволяють лише виявити дію тих чи інших факторів на досліджуване явище.

Кількісні експерименти спрямовані на встановлення точних кількісних залежностей у досліджуваному явищі. В реальній практиці експериментального дослідження обидва зазначені типи експериментів реалізуються, як правило, у вигляді послідовних етапів розвитку пізнання.

Як відомо, зв'язок між електричними і магнітними явищами був вперше відкритий датським фізиком Х. Ерстедом в результаті чисто якісного експерименту (помістивши магнітну стрілку компаса поруч з провідником, через який пропускався електричний струм, він виявив, що стрілка відхиляється від первинного положення). Після опублікування Ерстедом свого відкриття пішли кількісні експерименти французьких вчених Жана-Батіста Біо (1774 - 1862) і Фелікса Савара (1791 - 1841), а також досліди Андре Ампера (1776 - 1836), на основі яких була виведена відповідна математична формула.

Всі ці якісні і кількісні емпіричні дослідження заклали основи вчення про електромагнетизм.

Залежно від галузі наукового знання, в якій використовується експериментальний метод дослідження, розрізняють природничий, прикладний (в технічних науках, сільськогосподарській науці і т. д.) і соціально-економічний експерименти.

Не треба однак змішувати експеримент як емпіричний метод наукового пізнання і уявний експеримент як теоретичний метод, про який піде мова в підрозділі 4.3.2.

4.3.2.