Степан Карпенков - Концепции современного естествознания

• Название: Концепции современного естествознания
• Автор: Степан Карпенков
• Жанр: Биология

Учебник написан в соответствии с государственными образовательными стандартами. В нем изложены вопросы естественно-научного познания окружающего мира, фундаментальные концепции, принципы и законы природы, рассмотрены актуальные проблемы современного естествознания, связанные с изучением природных процессов и свойств веществ на молекулярном уровне, отражены естественно-научные аспекты энергетики, экологии и освещены важнейшие достижения естествознания, лежащие в основе современных наукоемких технологий. Предназначен для студентов высших учебных заведений. Может быть интересен и полезен широкому кругу читателей.

---

Для современного эксперимента характерны три особенности:

• возрастание роли начальной стадии эксперимента, которой, как правило, предшествует большая теоретическая работа;

• сложность технических средств эксперимента, состоящих из многофункциональной электронной аппаратуры, прецизионных механических устройств, высокочувствительных приборов;

• масштабность – для проведения некоторых экспериментов возводятся огромные сооружения, строительство и эксплуатация которых требуют больших финансовых затрат.

Любой эксперимент включает операцию наблюдения не только с качественным описанием, но и процедурой измерений. Наблюдение, как и эксперимент, относится к эмпирической форме естественнонаучного познания, но между ними есть различие. В экспериментальной работе при активном воздействии на исследуемый объект искусственно выделяются те или иные его свойства, которые и являются предметом изучения в естественных либо в специально созданных условиях. А наблюдению свойственны созерцательность и чувственное восприятие таких свойств.

Для проведения эксперимента часто используют физическое моделирование исследуемого объекта и создают различные управляемые условия, для чего изготавливают различные 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 возможный способ исследования.

Экспериментальные средства состоят из функционально различающихся систем:

• исследуемогообъекта с заданными свойствами;

• системы, обеспечивающей управляемые условия для этого объекта;

• измерительнойсистемы.

Чем сложнее экспериментальная задача, тем труднее получить достоверные результаты. Для повышения достоверности результатов необходимо:

• анализировать все факторы, влияющие на исследуемый объект;

• наиболее полно учитывать его специфику и возможности приборного обеспечения;

• использовать аппаратуру и приборы с высокой чувствительностью и разрешающей способностью;

• проводитьмногокра тныеизмерения.

Чем тщательнее предварительно проанализированы все особенности исследуемого объекта и управляемые внешние условия, чем чувствительнее и точнее приборы, тем достовернее экспериментальные результаты.

В любом эксперименте можно выделить три основных этапа:

• подготовкук эксперименту;

• сборэкспериментальных данных;

• обработкурезульта товэксперимента и их анализ.

Подготовительный этап обычно сводится к обоснованию причинно-следственной связи исследуемого объекта, планированию эксперимента, изготовлению образца или модели, созданию технической базы, включающей приборное обеспечение. Результаты, полученные на хорошо подготовленной экспериментальной базе, как правило, легче поддаются сложной математической обработке. Первые экспериментальные данные нельзя считать окончательными. Они могут содержать ошибки, обусловленные некорректной постановкой задачи эксперимента, неправильными показаниями измерительных приборов, отклонениями в функционировании органов чувств и т. д. Поэтому проводят не один, а серию экспериментов для уточнения и проверки полученных данных, которые предварительно анализируют и затем обрабатывают с помощью математической теории ошибок, позволяющей оценить достоверность окончательных результатов. Современная статистическая теория ошибок не только эффективное средство обработки экспериментальных данных, но и первый шаг обобщения их для формирования научного факта. Разумеется, такая обработка необходима, но недостаточна для перехода от эмпирических результатов к естественно-научному факту. Математически обработанные экспериментальные результаты сравниваются с теоретическими либо полученными другим методом. Если при этом не возникает противоречий, полученные результаты после их интерпретации можно считать научным фактом, основанном на наблюдениях и измерениях характеристик исследуемого объекта при предсказании их в виде гипотезы.

2.6. Современные средства естественно-научных исследований

Специфика современных экспериментальных и теоретических исследований. На всех этапах 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 М. Планк.

В прошлом веке произошло деление естествоиспытателей на профессиональных теоретиков и экспериментаторов. Во многих отраслях естествознания возникли экспериментальные и теоретические направления и в соответствии с ними появились специализированные лаборатории. Созданы научные подразделения и даже институты теоретического профиля, например Институт теоретической физики. Такой процесс активизировался во второй половине XX в. В прежние времена даже великие ученые Ньютон, Гюйгенс, Максвелл и др. сами экспериментально проверяли свои теоретические выводы и утверждения. В последние же десятилетия только в исключительных случаях теоретик проводит экспериментальную работу, чтобы подтвердить свои теоретические результаты.

Одна из объективных причин профессиональной обособленности экспериментаторов и теоретиков заключается в том, что современные технические средства довольно сложны. Экспериментальная работа требует концентрации больших усилий – она не под силу одному ученому и выполняется в большинстве случаев целым коллективом научных работников. Например, в проведении эксперимента с применением ускорителя заряженных частиц либо ядерного реактора принимает участие относительно большая группа исследователей. В подобных случаях даже при большом желании теоретик не в состоянии проверить на практике свои теоретические результаты.

Еще в 60-е годы XX в., когда в нашей стране многие отрасли естествознания находились на подъеме, академик П.Л. Капица с тревогой говорил о разрыве между теорией и экспериментом, между теорией и практикой, отмечая отрыв теоретической науки от жизни, с одной стороны, а с другой – недостаточно высокое качество экспериментальных работ, что нарушает естественное гармоничное развитие естествознания, возможное только при условии, что теория опирается на современную экспериментальную базу, включающую всевозможное оборудование, большой набор высокочувствительных приборов, специальных материалов и т. п. Темпы развития естествознания определяются в основном степенью совершенства такой базы.

Отрыв теории от эксперимента, практики наносит громадный ущерб прежде всего самой теории и, следовательно, науке в целом. Кроме того, невосполнимый ущерб науке наносится при ошибочном философском толковании естественно-научных проблем. Например, в конце 40-х – начале 50-х годов XX в. в отечественных философских словарях кибернетика называлась реакционной лженаукой. Если бы ученые руководствовались таким определением, вряд ли стало бы возможным освоение космоса и создание современных наукоемких технологий, поскольку все сложные многофункциональные процессы вне зависимости от области их применения управляются кибернетическими системами.

Работа крупных ученых-естествоиспытателей, внесших большой вклад в естествознание, несомненно проходила в тесной взаимосвязи теории и эксперимента. Для развития естествознания всякое теоретическое обобщение должно обязательно проверяться экспериментом. Только гармоничное сочетание эксперимента и теории способно поднять на качественно новый уровень все отрасли естествознания.

Современные методы и технические средства эксперимента. Экспериментальные методы и технические средства современных естественно-научных исследований достигли высокой степени совершенства. Многие из них основаны на физических принципах. Однако их практическое применение выходит далеко за рамки физики: они широко применяются в химии, биологии и многих смежных естественнонаучных отраслях. С появлением лазерной техники, компьютеров, спектрометров открылась возможность экспериментального исследования неизвестных ранее явлений природы, свойств материальных объектов, быстропротекающих физических, химических и биологических процессов.

Лазерная техника. Для экспериментального изучения многих явлений и процессов весьма важны три направления развития лазерной техники:

1) разработка лазеров с перестраиваемой длиной волны излучения;

2) создание ультрафиолетовых лазеров;

3) сокращение длительности импульса лазерного излучения до аттосекунд (1 ас = 10-18с).