Гносеологическая функция технической базы исследований

Введение все более сложной технической базы научных исследований обусловлено усложнением объектов, процессов и явлений, которые являются предметом науки. Несомненно, что исследование генома человека вовсе не фиксация воздействия температуры на металлический стержень. Давно пройденные наукой этапы незримо присутствуют в исследовательской лаборатории ученого: к примеру, прежде, чем появился амперметр, были проведены тысячи исследований в соответствующей области знания, сконструированы простейшие приборы и только на их основе возник амперметр. Но точно так же развивалась вся техническая база современной науки, прежде чем стать надежным и эффективным инструментом в исследовательских центрах и лабораториях.

Важнейшая познавательная функция приборов качественного класса состоит в максимальном усилении и расширении познавательных возможностей исследователя. Однако в зависимости от того, как тот или иной прибор выполняет данную функцию, они делятся на три части: приборы-усилители, приборы-анализаторы и приборы-преобразователи.

Второй класс приборов – приборы количественные.

Особую функцию выполняют приборы в квантовой механике. Природа микроявлений такова, что изучение их свойств возможно лишь во взаимодействии с классическим объектом, что реализуется на пути следующих требований:

-данный прибор должен допускать классическое описание с высокой степенью точности;

-прибор может взаимодействовать с микрообъектом и реагировать на его воздействие, изменяя свое состояние;

-характер и величина этого изменения зависят от состояния микрообъекта, и могут служить его количественной характеристикой.

Получение информации об объекте с помощью любого технического средства всегда процедура материальная. Парадокс информационной связи субъекта и объекта решается констатацией того факта, что любое реальное наблюдение обязательно включает в себя одну классически описываемую стадию. Например, изучая квантовые свойства вещества, мы должны располагать аппаратурой, способной усилить влияние отдельно кванта до классически описываемого эффекта. Но усилить квантовый процесс так, чтобы он регистрировался как классически понятный на сегодняшний день, значит преобразовать его качественно.

Таким образом, теоретическое истолкование показателей технических средств приобретает характер особой теоретико-познавательной проблемы. Если в классической физике прибор вскрывает существующее состояние объекта, то в квантовой физике прибор участвует в создании самого состояния частицы, влияя на нее. При этом ни один прибор не может создать такого состояния частицы, которое было бы ей не свойственно.

Хороший пример исключительно важной роли технической базы науки дает история нанотехнологий. В 1960 году нобелевский лауреат, физик Ричард Фейнман прозорливо предсказал, что в 2000 году все удивятся, почему они раньше не замечали наномира. Причина проста. Не было необходимых инструментов. Ни одна из технологий производства, позволяющих создавать миниатюрные устройства – микроскопические токарные станки, установки для травления, оборудование для литографии в видимом свете – не работает в наномире. Одним из первых инструментов стали сканирующие зонды, которые основаны на идее, впервые разработанной лишь в 1980 году.

По сути, данная идея проста: если провести пальцем по поверхности, легко отличить бархат от стали или дерево от пластилина. Сканирующий микроскоп скользит по поверхности так же, как это делают пальцы. При этом он может измерять несколько свойств изучаемого объекта. В туннельном микроскопе измеряется величина электрического тока, проходящего между сканирующим зондом и поверхностью объекта. Микроскоп можно использовать для проверки локальной геометрии, локальных характеристик электропроводности. За открытие метода зондового сканирования Герд Биннинг и Генрих Рорер в 1986 году получили Нобелевскую премию.

В магнитно-силовом микроскопе зонд, сканирующий поверхность, является магнитным. Он позволяет почувствовать на поверхности локальную магнитную структуру. Существуют и другие типы наноинструментов. Сканирующий наноскопический зонд, скользящий по поверхности, используется для изучения наноскопических структур через измерение сил, токов, магнитного сопротивления, химической чистоты или других специфических свойств.

Однако инструменты зондового сканирования можно использовать и для того, чтобы с их помощью вносить изменения в объекты. Как с помощью пальца мы можем оставить след на объекте (воск, пластилин, бумага), так и с помощью кончика сканирующего зонда можно модифицировать поверхность объекта. В общем случае маленькие объекты (отдельные атомы или молекулы) можно двигать по поверхности, толкая их или поднимая с поверхности на сканирующий зонд и устанавливая на другое место.

Как известно, величайшим научным вкладом Франклина был именно его экспериментальный подход. Его методология аналитична и объективна, а его теоретические исследования носили, по словам А.Эйнштейна, операционный характер. В 1746 году он поставил перед собой задачу выяснить, какая часть этого с виду простого аппарата из стекла, металла и воды служит резервуаром для электрической энергии: металлический стержень, вода или бутылка? Или их сочетание? В то время даже если кто-нибудь и задавался подобным вопросом, то наверняка не знал бы, как приступить к его решению. Впрочем и сегодня этот вопрос многих поставит в тупик. Последовательный подход Франклина к его решению был гениально простым.

Вот как сам он описывал свои действия. Чтобы узнать, где именно аккумулируется энергия, мы поместили наэлектризованную бутылку на стекло, вынули пробку со стержнем. Затем взяли бутылку в одну руку и поднесли палец другой руки к отверстию в горлышке. Из воды выскочила сильная искра. Это доказывает, что энергия собирается не в стержне. Таким образом, один возможный ответ был отброшен. Затем, чтобы проверить, не собирается ли энергия в воде, мы снова наэлектризовали бутылку. На этот раз вынули пробку со стержнем и перелили воду в другую бутылку, которая не подвергалась электризации. Если бы заряд находился в воде, тогда из воды выскочила бы искра. Но этого не произошло. Тогда мы рассудили, что электрический заряд либо исчезает при переливании воды, либо остается в первой бутылке. Второе оказалось верным, так как прикосновение к бутылке вызывало искры., хотя наполнена она была простой водой. Мы пошли еще дальше, поставив вопрос, в какой мере электризация от формы предмета (бутылка), а в какой от вещества, из которого сделано стекло. Вывод был таким: свойство собирать электрический заряд присуще стеклу.

Исходя из опыта, Франклин изобрел электрический конденсатор, одни из наиболее важных элементов электрической цепи. Он заявил, что нет двух разных видов электричества (смоляного, янтарного, и стеклянного), оно не возникает и не исчезает при трении или любом другом действии, а находится в скрытом состоянии в материи. Вероятнее всего, оно состоит из мельчайших частиц, которые могут проникать внутрь металлов с такой же легкостью, с какой газ распространяется в атмосфере.

Показателен также пример двух школьных учителей, которые прославились экспериментальными исследованиями в области создания телеграфа и телефона. (Взято по Боданис Д. Электрическая Вселенная. – М.: КоЛибри, 2009. – 384с.).

Один из них - Джозеф Генри в 1826 году в возрасте 30 лет становится учителем в школе города Олбани (ныне столица штата Нью-Йорк), и, желая увлечь великовозрастных учеников в мир знаний, посчитал, что для этих целей наиболее подходит новая, связанная с электричеством область знания. Вместе с учениками он вначале повторяет опыт британского артиллерийского офицера Уильяма Стерджена, создав электромагнит, способный поднять железо весом 2 кг. Затем, увеличивая число витков, он добился того, что вес груза возрос до 680 кг. Дж.Генри долго размышлял над причинами этого явления, но, в конце концов, решил извлечь из этого эффекта некую практическую пользу. Он удлинил провод, шедший от батареи к электромагниту, стал выносить батарею подальше от электромагнита: таинственная электрическая сила все равно проливалась от батареи по проводу и включала электромагнит. Пришло решение: к электромагниту можно подсоединить не простой кусок железа, а некое устройство, реагирующее звуковыми сигналами на действие электрических разрядов. Первая апробация была произведена в школе: с одного конца школы в другой стал подаваться звонок. Затем возникла идея телеграфа, в реализации которой уже участвовал Сэмюэл Морзе, быстрее всех осознавший значимость разработок и оформивший на них патенты. Впоследствии выяснилось, что по обычной телеграфной линии можно посылать не один сигнал, а сразу несколько. В дальнейшем Дж.Генри стал одним из величайших американских физиков, директором Смитсоновского института.

Другой школьный учитель Александр Белл, обучая глухих детей в Бостоне, влюбился в одну из своих учениц, которая впоследствии стала его женой. Искренне желая облегчить участь таких людей, он увлекся идеей передачи по телеграфному проводу не просто щелчка, а полноценного звука. В 1875 году при личной встрече с уже состарившимся Дж.Генри, 28-летний учитель из Бостона получил одобрение своим работам. Вначале он создает модель искусственной гортани, которая должна была имитировать голос человека (прообраз будущей мембраны), затем разрабатывает устройство для преобразования в электричество ряби, которой покрывался при произнесении слов лист пергамента. Здесь ему помогло ключевое наблюдение: когда электрический заряд изливается из батареи в провод, по нему течет устойчивый ток, но стоит перегнуть или перекрутить этот провод, прохождение тока затруднится, поскольку меняется внутренне сопротивление провода. Продолжая экспериментировать, он поднес листок пергамента к губам, поместив по другую его сторону тонкую проволочку – так, что она почти касалась листка. Когда он произносил какое-то слово, воздух, исходящий из его рта, толкал пергамент на проволочку. Изгибалась она от этого не сильно, однако для протекающего по проволочке малого электрического тока этих изгибов хватало: поток электрического тока в точности следовал интонациям голоса говорящего человека. Когда этот ток достигает до конца провода, на котором находится собеседник, происходит то же самое, но в обратном порядке. Все отраженные микрофоном возвышение и опадания голоса поступают в приемник. Если ток велик, принимающая поверхность колеблется быстро, и в ухе слушателя звучит громкий и ясный голос. Изобретение позволило передавать даже шепот и при этом без каких-либо искажений.

Стоит обратить внимание на тот факт, что проведение эксперимента предполагает формулировку проблемы, которая отражает теоретическое затруднение по поводу явлений или свойств объектов мира. Поскольку проблема – это осознанное противоречие, то в случае светового давления, проблема формулировалась таким образом: все тела испытывают воздействие других тел, а существует ли световое давление и если существует, то какова его величина?

Проблема, ответ на которую должен дать эксперимент, детерминирует и выбор величин, определяемых в ходе эксперимента. Этими величинами является световое давление и интенсивность света. Для того, чтобы войти в экспериментальные процедуры, они предварительно должны быть интегрированы эмпирически, т.е. представлены в виде некоторых других величин, которые можно наблюдать и измерять.

Первый этап – выбор эмпирической интерпретации теоретических величин очень важен при подготовке эксперимента. Только после этого теоретические построения и расчеты приобретают эмпирический смысл, а сам эксперимент становится принципиально возможным. В эксперименте Лебедева световое давление эмпирически было представлено как закручивание подвеса, а интенсивность света – как тепловое расширение в термоэлементе. Закручивание подвеса и тепловое расширение можно было наблюдать и измерять непосредственно.

Второй этап в проведении эксперимента – выбор условий и используемых приборов – определяется эмпирической интерпретацией теоретических величин. Если мы хотим, чтобы световое давление было представлено как закручивание подвеса, то мы должны обеспечить создание таких условий, чтобы это закручивание не могло быть вызвано никакими другими факторами.

В эксперименте П.Н.Лебедева трудность состояла в том, что силы светового давления очень малы, и их действие легко перекрывалось рядом других факторов. Среди них наиболее существенными были конвекционные токи воздуха и радиометрические силы. Когда подвес был окружен воздухом, движение воздушных потоков могло закручивать его. Чтобы устранить или хотя бы ослабить действие этих факторов, Лебедев поместил подвес в стеклянный баллон, из которого воздух можно было бы откачать. Радиометрический эффект состоял в том, что освещенная сторона пластинки нагревается сильнее неосвещенной стороны, и противоположные стороны испытывают неодинаковое давление газа, что может также вызвать закручивание подвеса. Чтобы избежать этого, крылышки приходилось делать как можно более тонкими. Трудности, связанные с исключением всех побочных эффектов, были в данном случае столь велики, что на их преодоление у Лебедева ушло более трех лет.

Третий этап в проведении эксперимента – воздействие на объект, наблюдение его поведения и измерение контролируемых величин. Это решающий этап, в ходе его мы получаем ответ на вопрос теории, обращенный к природе. В эксперименте Лебедева ответ был положительным, а в эксперименте Майкельсона, например, природа ответила «нет», хотя уверенность в существовании эфира была не меньшей, чем в существовании светового давления.

Четвертый этап – обработка полученных данных, их теоретическое осмысление и включение в науку. Закручивание подвеса истолковывается как вызванное световым давлением. Отсюда вывод – давление света существует, а утверждение об этом включается в теорию.

Как видим, эксперимент неотделим от теории, он существенно зависит от нее. Роль теории в создании эксперимента особенно ярко проявляется в существовании такой формы познания, как мысленный эксперимент, т.е. мысленное представление операций с мысленно представляемыми объектами. Единственное отличие от реального эксперимента в том, что отсутствует природный объект. В мысленном эксперименте задействованы идеальные объекты, идеальные приборы и идеальные условия. Такого рода эксперимент целиком находится внутри теории, и его отличие от обычного теоретического рассуждения заключается лишь в том, что он опирается на наглядные образы и представления.

Следует помнить, что измерение, наблюдение, эксперимент, хотя и тесно связаны с теоретическими соображениями, являются разновидностью практической деятельности. Осуществляя такого рода процедуры, мы выходим за рамки чисто логических рассуждений и обращаемся к материальному действию с реальными вещами. В конечном счете, только через посредство такого действия получают подтверждение или опровержение наши представления о действительности. В эмпирических познавательных процедурах наука вступает в непосредственный контакт с отображаемой ею действительностью – именно в этом заключается громадное значение наблюдения, измерения и эксперимента для научного познания.