Московский государственный университет печати

А.В. Ванников, Г.А. Бабушкин


         

Методы и средства научных исследований

Конспект лекций для студентов, обучающихся по специальности «Технология полиграфического производства»


А.В. Ванников, Г.А. Бабушкин
Методы и средства научных исследований
Начало
Об электронном издании
Оглавление

Методы и средства научных исследований

Методология науки

1.

Лекция 1

1.1.

Специфика научной деятельности

1.2.

Критерии научного знания

1.3.

Методы научного познания

2.

Лекция 2

2.1.

Средства научного познания

2.2.

Возникновение естествознания

2.3.

Структура научного знания

2.4.

Взаимосвязь теории и эксперимента

2.5.

Модели научного познания

2.6.

Научные традиции

3.

Лекция 3

3.1.

Научные революции

3.2.

Научные открытия

3.3.

Фундаментальные научные открытия

3.4.

Проблемы науки

3.5.

Идеалы научного знания

3.6.

Функции науки

3.7.

Научная этика

4.

Лекция 4

4.1.

Очистка веществ

4.2.

Методы очистки

4.3.

Основные экспериментальные методы исследования строения молекул

5.

Лекция 5

5.1.

Полярография и анодная вольтамперометрия

5.2.

Спектральные методы

5.3.

Электронные спектры поглощения и люминесценции

5.4.

Инфракрасные спектры поглощения

5.5.

Спектры комбинационного рассеяния

6.

Лекция 6

6.1.

Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР).

6.2.

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР)

7.

Лекция 7

7.1.

Фотоэлектронная спектроскопия (ФЭС)

7.2.

Масс-спектрометрия

7.3.

Спектрополяриметрия

7.4.

Эффект Холла

7.5.

Зондовая микроскопия

8.

Лекция 8

8.1.

Оценка точности физических измерений

8.2.

Основные правила действий с приближенными числами

8.3.

Нормальные случайные величины

8.4.

Среднее и истинное значение изменяемой величины. Типы ошибок

8.5.

Дисперсия

8.6.

Среднее и дисперсия совокупности среднеарифметических

8.7.

Оценка квадратичного отклонения по размаху

8.8.

Доверительные интервалы

9.

Лекция 9

9.1.

Подбор формул по данным эксперимента методом наименьших квадратов

10.

Литература

Указатели
20   указатель иллюстраций

Говоря о средствах научного познания, необходимо отметить, что важнейшим из них является язык науки. Галилей утверждал, что книга Природы написана языком математики. Развитие физики полностью подтверждает эти слова Галилея.

Ход научного познания существенно зависит от развития используемых наукой средств. Использование подзорной трубы Галилеем, а потом - создание телескопов, радиотелескопов, астрономические измерения в различных областях электромагнитного спектра во многом определило развитие астрономии. В настоящее время доступны для изучения границы вселенной. Применение микроскопов, особенно электронных, сыграло огромную роль в развитии биологии. Без таких средств познания, как синхрофазотроны, невозможно развитие современной физики элементарных частиц. Применение компьютера революционизирует развитие науки. Оптический микроскоп - электронный микроскоп - зондовые микроскопы (туннельные, атомно-силовые и др.) позволяют увидеть отдельные атомы и молекулы и манипулировать ими. Фактически "видимость" и возможность манипуляций изменилась от объектов макроскопических размеров (метры - сантиметры) до 1 <?xml version="1.0"?>
. Открытие лазеров, излучающих когерентные электромагнитные волны, позволяет создавать чрезвычайно высокие интенсивности света и исследовать нелинейные оптические свойства веществ, то есть получать важную и ранее недоступную информацию об их строении. Использование коротких лазерных импульсов дает возможность исследовать физические и химические процессы, протекающие в фемтосекунном временном диапазоне (<?xml version="1.0"?>
). В научных экспериментах широко используется весь спектр электромагнитного излучения - от радиоволн с длиной волны в десятки метров - через УКВ, СВЧ, ИК диапазоны, видимый свет, УФ, ВУФ диапазоны, рентгеновские лучи - до <?xml version="1.0"?>
с длиной волны <?xml version="1.0"?>
и энергией квантов в несколько МэВ. Разработанные методы синтеза и очистки привели к получению индивидуальных веществ, содержащих миллиардные доли атомов примеси, и громадного числа соединений, неизвестных в природе.

Методы и средства, используемые в разных науках, не одинаковы. Различия методов и средств, применяемых в разных науках, определяются и спецификой предметных областей, и уровнем развития науки. Однако в целом происходит постоянное взаимопроникновение методов и средств различных наук.

Для понимания того, что представляет собой современное естествознание, важно выяснить, когда оно возникло. В этом отношении развиваются различные точки зрения.

Иногда отстаивается позиция, что естествознание возникло в каменном веке, когда человек стал накапливать и передавать другим знания о мире. Так, Джон Бернал в книге 'Наука в истории общества' пишет: 'Так как основное свойство естествознания заключается в том, что оно имеет дело с действенными манипуляциями и преобразованиями материи, главный поток науки вытекает из практических технических приемов первобытного человека...'

Некоторые историки науки считают, что естествознание возникло примерно в Древней Греции в V веке до н.э., где на фоне разложения мифологического мышления возникли первые программы исследования природы. Уже в Древнем Египте и Вавилоне были накоплены значительные математические знания, но только греки начали доказывать теоремы. Если науку трактовать как знания с его обоснованием, то вполне справедливо считать, что она возникла примерно в V веке до н.э. в городах-полисах Греции - очаге будущей европейской культуры.

Другие исследователи связывают возникновение естествознания с постепенным освобождением мышления от догм аристотелианских воззрений, которое связано с деятельностью оксфордских ученых XII-XIV вв. (Роберта Гроссета, Роджера Бэкона и др.) Эти исследователи призывали опираться на опыт, наблюдения и эксперимент, а не на авторитет, предания или философской традиции.

Большинство историков науки считают, что о естествознании в современном смысле слова можно говорить, только начиная с XVI-XVII вв. Это эпоха, когда появляются работы И.Кеплера, Х.Гюйгенса, Г.Галилея. Апогеем духовной революции, связанной с возникновением науки, являются работы И.Ньютона. Рождение науки, естествознания здесь отождествляется с рождением современной физики и необходимого для нее математического аппарата. В это же время происходит рождение науки в качестве особого социального института. В 1662 г. возникает Лондонское Королевское общество, в 1666 г. - Парижская Академия Наук.

Существует точка зрения, что современное естествознание возникло в конце XIX века. В это время наука оформляется в особую профессию благодаря, в первую очередь, реформам Берлинского университета, проходивших под руководством знаменитого естествоиспытателя Вильгельма Гумбольта. В результате этих реформ появилась новая модель университетского образования, в которой обучение совмещено с исследовательской деятельностью. Эта модель была лучше всего реализована в лаборатории известного химика Ю. Либиха в Гессене. В результате утверждения новой модели образования на мировом рынке появились такие товары, разработка и производство которых предполагает доступ к научному знанию (удобрения, ядохимикаты, взрывчатые вещества, электротехнические товары и др.). Процесс превращения науки в профессию завершает ее становление как современной науки.

Особого рассмотрения заслуживает вопрос о структуре научного знания. В ней необходимо выделить три уровня: эмпирический, теоретический и философских оснований.

На эмпирическом уровне в результате непосредственного контакта с реальностью ученые получают знания об определенных событиях, выявляют свойства интересующих их объектов или процессов, фиксируют отношения, устанавливают эмпирические закономерности.

Для выяснения специфики теоретического познания важно подчеркнуть, что теория строится с явной направленностью на объяснение объективной реальности, но она описывает непосредственно не окружающую действительность, а идеальные объекты, которые в отличие от реальных объектов характеризуются не бесконечным, а вполне определенным числом свойств. Например, такие идеальные объекты, как материальные точки, с которыми имеет дело механика, обладают очень небольшим числом свойств, а именно, массой и возможностью находиться в пространстве и времени. Идеальный объект строится так, что он полностью интеллектуально контролируется.

Саму теорию можно разделить на феноменологическую (макроскопическую) и микроскопическую. Феноменологическая теория содержит параметры, которые следует определять либо из опыта, либо вычислять при помощи микроскопической теории. К феноменологической теории относятся, например, термодинамика, теория сплошных сред и теория упругости, а к микроскопической - статистическая физика, как квантовая, так и классическая.

Теоретический уровень научного знания расчленяется на две части: фундаментальные теории, в которых ученый имеет дело с наиболее абстрактными идеальными объектами, и теории, описывающие конкретную область реальности на базе фундаментальных теорий.

Сила теории состоит в том, что она может развиваться как бы сама по себе, без прямого контакта с действительностью. Поскольку в теории мы имеем дело с интеллектуально контролируемым объектом, то теоретический объект можно, в принципе, описать как угодно детально и получить как угодно далекие следствия из исходных представлений. Если исходные абстракции верны, то и следствия из них будут верны.

Кроме эмпирического и теоретического в структуре научного знания можно выделить еще один уровень, содержащий общие представления о действительности и процессе познания - уровень философских предпосылок, философских оснований.

Например, известная дискуссия Бора и Эйнштейна по проблемам квантовой механики, по сути, велась именно на уровне философских оснований науки, поскольку обсуждалось, как соотнести аппарат квантовой механики с окружающим нас миром. Эйнштейн считал, что вероятностный характер предсказаний в квантовой механике обусловлен тем, что квантовая механика неполна, поскольку действительность полностью детерминистична. А Бор считал, что квантовая механика полна и отражает принципиально неустранимую вероятность, характерную для микромира.

Иногда философские основания науки ярко проявляются и становятся предметом острых дискуссий (например, в квантовой механике, теории относительности, теории эволюции, генетике и т.д.).

В то же время, в науке существует много теорий, которые не вызывают споров по поводу их философских оснований, поскольку они базируются на философских представлениях, близких к общепринятым.

Необходимо отметить, что не только теоретическое, но и эмпирическое знание связано с определенными философскими представлениями.

На эмпирическом уровне знания существует определенная совокупность общих представлений о мире (о причинности, устойчивости событий и т.д.). Эти представления воспринимаются как очевидные и не выступают предметом специальных исследований. Тем не менее, они существуют, и рано или поздно меняются и на эмпирическом уровне.

Эмпирический и теоретический уровни научного знания органически связаны между собой. Теоретический уровень существует не сам по себе, а опирается на данные эмпирического уровня. Но существенно то, что и эмпирическое знание неотрывно от теоретических представлений; оно обязательно погружено в определенный теоретический контекст.

Осознание этого в методологии науки обострило вопрос о том, как же эмпирическое знание может быть критерием истинности теории? Дело в том, что, несмотря на теоретическую погруженность, эмпирический уровень является более устойчивым, более прочным, чем теоретический. Это происходит потому, что эмпирический уровень знания погружается в такие устойчивые теоретические представления, которые не вызывают сомнений. Эмпирическими знаниями проверяется более высокий уровень теоретических построений, чем тот, что содержится в ней самой. Если бы было иначе, то получался бы логический круг, и тогда эмпирические знания ничего не проверяли бы в теории. Поскольку эмпирическими знаниями проверяются теории другого уровня, постольку эксперимент выступает как критерий истинности теории.

Научная теория дает нам определенный срез действительности, но ни одна система абстракции не может охватить всего многообразия действительности. Разные системы абстракции рассекают действительность в разных плоскостях. Это относится и к теориям, которые генетически связаны с современными концепциями, но созданы в прошлом. Их системы абстракций определенным образом соотносятся друг с другом, но не перекрывают друг друга. Так, по мнению В. Гейзенберга, в современной физике существуют, по крайней мере, четыре фундаментальных замкнутых непротиворечивых теории: классическая механика, термодинамика, электродинамика, квантовая механика. В истории науки наблюдается тенденция свести все естественнонаучное знание к единой теории, редуцировать к небольшому числу фундаментальных исходных принципов. В современной методологии науки осознана принципиальная нереализуемость такого сведения. В науке обязательно должны содержаться различные системы абстракций, которые не только несводимы друг к другу, но рассекают действительность в разных плоскостях. Это относится и ко всему естествознанию, и к отдельным наукам - физике, химии, биологии и т.д. ,- которые нельзя свести к одной теории. Одна теория не может охватить все многообразие способов познания, стилей мышления, существующих в современной науке.

Экспериментальные результаты не могут непосредственно взаимодействовать с теорией, для этого они должны стать данными.

Определение данные - это утверждения, полученные с помощью наблюдения и эксперимента и составляющие вид начальных предположений. От экспериментальных результатов они отличаются тем, что выражены в терминах теории, в которую должны войти, и получены с помощью инструментов, сконструированных и рассчитанных с помощью ряда теорий. Взаимоотношения между данными и теорией даются следующими выражениями:

1. Данные могут стимулировать создание теорий. При условии, если они аномальны (расходятся с какой-либо теорией) или, будучи получены с помощью надежных инструментальных теорий, не укладываются в рамки ни одной из существующих независимых теорий.

2. Данные могут активировать теории. Введение данных в теорию может способствовать получению специфических объяснений или предсказаний.

3. Данные могут проверять теории. Если теоретические предсказания вступают в противоречии с данными, то тем самым оценивается истинность предсказаний. Однако, данные сами по себе не решают дела. Для вынесения окончательного решения следует дополнительно получить заключение других теорий.

4. Теория может служить проводником в поисках данных. Во-первых, предсказывая неизвестные еще эффекты, во-вторых, помогая проектировать экспериментальные установки.

5. Случайные данные бесполезны, а иногда могут вводить в заблуждение. Если хорошо обоснованные теории не принимают участия в получении данных, то на эти данные нельзя полагаться. Если же они не согласуются, по крайней мере, с некоторыми хорошо подтвержденными гипотезами, то это - редкость, которая может быть объяснена какой-либо методической ошибкой в проектировании эксперимента или снятии показаний.

6. Теории не имеют никакого наблюдательного содержания. Если надо дедуктивно вывести дальнейшую потенциальную информацию (предсказание), то эмпирическая информация (например, начальная температура) должна быть введена в теорию извне. Следовательно, теории не могут быть выведены из данных и физические теории не могут быть интерпретированы в эмпирических терминах (например, в терминах измерений длины и времени), но они должны интерпретироваться в объективных физических терминах, то есть путем ссылки на физические системы, свободные от наблюдателя.

Немецкий философ и логик Рейхенбах написал о принципе индукции так: 'Этот принцип определяет истинность научных теорий. Устранение его из науки означало бы ни более и не менее как лишение науки ее способности различать истинность и ложность ее теорий. Без него наука, очевидно, более не имела бы права говорить об отличии своих теорий от причудливых и произвольных созданий поэтического ума'.

Принцип индукции гласит, что универсальные высказывания науки основываются на индуктивных выводах. На этот принцип мы фактически ссылаемся, когда говорим, что истинность какого-то утверждения известна из опыта. Но, эмпирическими данными вообще невозможно установить истинность универсального обобщающего суждения.

Сколько бы не испытывался эмпирическими данными какой-либо закон, не существует гарантий, что не появятся новые наблюдения, которые будут ему не удовлетворять.

Вообще установлено, что степень подтверждения фактами какой-то гипотезы не является решающей в процессе научного познания. Поскольку не существует никакой логики научного открытия, никаких методов, гарантирующих получение истинного научного знания, постольку научные утверждения представляют собой гипотезы (от греческого 'предположение'), т.е. являются научными допущениями или предположениями, истинностное значение которых неопределенно.

Это положение составляет основу гипотетико-дедуктивной модели научного познания, разработанной в первой половине XX века. В соответствии с этой моделью, ученый выдвигает гипотетическое обобщение, из него дедуктивно выводятся различного рода следствия, которые затем сопоставляются с эмпирическими данными.

Известный современный исследователь логики научного творчества К. Поппер обратил внимание на то, что при сопоставлении гипотез с эмпирическими данными процедуры подтверждения и опровержения имеют познавательный различный статус. Например, никакое количество наблюдаемых белых лебедей не является достаточным основанием для установления истинности утверждения 'все лебеди белые'. Но достаточно увидеть одного черного лебедя, чтобы признать это утверждение ложным. Эта асимметрия, как показывает Поппер, имеет решающее значение для понимания процесса научного познания.

К. Поппер развил представления о том, что неопровержимость теории представляет собой не ее достоинство, как часто думают, а ее порок. Он писал: 'Теория не опровержимая никаким мыслимым событием, является ненаучной'. Опровержимость, фальсифицируемость выступает как критерий научности теории.

Главная ценность теории, программы - это способность пополнять знания, предсказывать новые факты. Противоречия и трудности в описании каких-либо явлений не влияют существенно на отношении ученых к теории, программе.

Многие научные теории встречались с противоречиями и трудностями в объяснении явлений. Например, Ньютон не мог на основании механики объяснить стабильность Солнечной системы и утверждал, что Бог исправляет отклонения в движении планет, вызванные различными возмущениями (эту проблему удалось решить Лапласу только в начале XIX века). В геометрии Евклида на протяжении двух тысяч лет не удавалось решить проблему пятого постулата.

Такие трудности обычны в науке и не приводят к отказу ученых от теории, потому что вне теории ученый не в состоянии работать. Ученый всегда может защитить теорию от несоответствия эмпирическим данным с помощью каких-либо ухищрений и гипотез. Это объясняет, почему всегда существуют альтернативные теории и исследовательские программы.

Главным источником развития науки является не взаимодействие теории и эмпирических данных, а конкуренция теорий, исследовательских программ в деле лучшего описания и объяснения наблюдаемых явлений, предсказания новых фактов.

Наука обычно представляется как сфера почти непрерывного творчества, постоянного стремления к новому знанию. Однако, в современной методологии науки четко осознано, что научная деятельность может быть традиционной. Основателем учения о научных традициях является Т. Кун. Традиционная наука называется в его концепции 'нормальной наукой', которая представляет собой 'исследование, прочно опирающееся на одно или несколько прошлых достижений, которые в течение некоторого времени признаются определенным научным сообществом как основа для развития его дальнейшей практической деятельности'.

Т. Кун показал, что традиция является не тормозом, а наоборот, необходимым условием быстрого накопления научных знаний. 'Нормальная наука' развивается не вопреки традициям, а именно в силу своей традиционности. Традиция организует научное сообщество, порождает 'индустрию' производства знаний. Т. Кун пишет: 'Под парадигмами я подразумеваю признанные всеми научные достижения, которые в течение определенного времени дают модель постановки проблем и их решений научному сообществу'.

Достаточно общепринятые теоретические концепции типа системы Коперника, механики Ньютона, кислородной теории Лавуазье, теории относительности Эйнштейна и т.п. определяют парадигмы научной деятельности. Познавательный потенциал, заложенный в таких концепциях, определяющих видение реальности и способов ее постижения, выявляется в периоды 'нормальной науки', когда ученые в своих исследованиях не выходят за границы, определяемые парадигмой. Кризисные явления в развитии нормальной науки излагаются следующим образом: 'Увеличение конкурирующих вариантов, готовность опробовать что-либо еще, выражение явного недовольства, обращение за помощью к философии и обсуждение фундаментальных положений - все это симптомы перехода от нормального исследования к экстраординарному'.

Кризисная ситуация в развитии 'нормальной науки' разрешается тем, что возникает новая парадигма. Тем самым происходит научная революция, и вновь складываются условия для функционирования 'нормальной науки'. Т. Кун пишет: 'Решение отказаться от парадигмы всегда одновременно есть решение принять другую парадигму, а приговор, приводящий к такому решению, включает как сопоставление обеих парадигм с природой, так и сравнение парадигм друг с другом'. Переход от одной парадигмы к другой невозможен посредством логики и ссылок на опыт. В некотором смысле защитники различных парадигм живут в разных мирах. Различные парадигмы несоизмеримы. Поэтому переход от одной парадигмы к другой должен осуществляться резко, как переключение, а не постепенно посредством логики.

© Центр дистанционного образования МГУП