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

Научные революции обычно затрагивают мировоззренческие и методологические основания науки, нередко изменяя сам стиль мышления. Поэтому они по своей значимости могут выходить далеко за рамки той конкретной области, где они произошли. Поэтому можно говорить о частнонаучных и общенаучных революциях.

Возникновение квантовой механики - это яркий пример общенаучной революции, поскольку ее значение выходит далеко за пределы физики. Квантово-механические представления на уровне аналогий или метафор проникли в гуманитарное мышление. Эти представления оказывают влияние на нашу интуицию, здравый смысл, воздействуют на мировосприятие.

Дарвиновская революция по своему значению вышла далеко за пределы биологии. Она коренным образом изменила наши представления о месте человека в Природе. Она оказала сильное методологическое воздействие, повернув мышление ученых в сторону эволюционизма.

Новые методы исследования могут приводить к далеко идущим последствиям: к смене проблем, к смене стандартов научной работы, к появлению новых областей знаний. В этом случае их внедрение означает научную революцию.

Так, появление микроскопа в биологии означало научную революцию. Всю историю биологии можно разбить на два этапа, разделенные появлением и внедрением микроскопа. Целые фундаментальные разделы биологии - микробиология, цитология, гистология - обязаны своим развитием внедрению микроскопа.

Появление радиотелескопа означало революцию в астрономии. Академик Гинзбург пишет об этом так: 'Астрономия после второй мировой войны вступила в период особенно блистательного развития, в период 'второй астрономической революции' (первая такая революция связывается с именем Галилея, начавшего использовать телескопы) ... Содержание второй астрономической революции можно видеть в процессе превращения астрономии из оптической во всеволновую'.

Иногда перед исследователем открывается новая область непознанного, мир новых объектов и явлений. Это может вызвать революционные изменения в ходе научного познания, как случилось,, например, при открытии таких новых миров, как мир микроорганизмов и вирусов, мир атомов и молекул, мир электромагнитных явлений, мир элементарных частиц, при открытии явления гравитации, других галактик, мира кристаллов, явления радиоактивности и т.п.

Таким образом, в основе научной революции может быть обнаружение каких-то ранее неизвестных сфер или аспектов действительности.

Ф.Бэкон считал, что разработал метод научных открытий, в основе которого - постепенное движение от частностей к обобщениям. Он был уверен, что разработал метод открытия нового научного знания, которым может овладеть каждый. В основе этого метода открытия - индуктивное обобщение данных опыта. Бэкон построил довольно изощренную схему индуктивного метода, в которой учитываются случаи не только наличия изучаемого свойства, но и его различных степеней, а также отсутствия этого свойства в ситуациях, когда его проявление ожидалось.

Декарт считал, что метод получения нового знания опирается на интуицию и дедукцию. 'Эти два пути, - писал он, - являются самыми верными путями к знанию, и ум не должен допускать их больше - все другие (например, аналогию) надо отвергать как подозрительные и ведущие к заблуждению'.

В современной методологии науки осознано, что индуктивные обобщения не могут осуществить скачок от эмпирии к теории. Эйнштейн писал об этом так: 'В настоящее время известно, что наука не может вырасти на основе одного только опыта и что при построении науки мы вынуждены прибегать к свободно создаваемым понятиям, пригодность которых можно a posteriori проверить опытным путем. Эти обстоятельства ускользали от предыдущих поколений, которым казалось, что теорию можно построить чисто индуктивно, не прибегая к свободному, творческому созданию понятий. В последнее время перестройка всей системы теоретической физики в целом привела к тому, что признание умозрительного характера науки стало всеобщим достоянием'.

При характеристике перехода от эмпирических данных к теории важно подчеркнуть, что чистый опыт, т.е. такой, который не определялся бы теоретическими представлениями, вообще не существует.

По этому поводу К. Поппер писал так: 'Представление о том, что наука развивается от наблюдения к теории, все еще широко распространено. Однако вера в то, что мы можем начать научные исследования, не имея чего-то похожего на теорию, является абсурдной. Двадцать пять лет тому назад я пытался внушить эту мысль группе студентов-физиков в Вене, начав свою лекцию следующими словами: 'Возьмите карандаш и бумагу, внимательно наблюдайте и описывайте ваши наблюдения!' Они спросили, конечно, что именно они должны наблюдать. Ясно, что простая инструкция 'Наблюдайте!' является абсурдной. Наблюдение всегда носит избирательный характер. Нужно избрать объект, определенную задачу, иметь некоторый интерес, точку зрения, проблему...'.

Роль теории в развитии научного знания ярко проявляется в том, что фундаментальные теоретические результаты могут быть получены без непосредственного обращения к эмпирическим данным.

Классический пример построения фундаментальной теории без непосредственного обращения к эмпирическим данным - это создание Эйнштейном общей теории относительности. Частная теория относительности тоже была создана в результате рассмотрения чисто теоретической проблемы (опыт Майкельсона не имел для Эйнштейна существенного значения).

Новые явления могут быть открыты в науке и путем эмпирических, и путем теоретических исследований. Классический пример открытия нового явления на уровне теории - это открытие позитрона П.Дираком, принципы геометрии Лобачевского и основания квантовой механики, теории относительности, космологии Большого взрыва и т.д.

Попытки построения различного рода логик открытия прекратились еще в прошлом веке как полностью несостоятельные. Стало очевидным, что никакой логики открытия, никакого алгоритма открытий в принципе не существует. В то же время, безусловно, существует логика научного исследования. Как выразился профессор Кембриджского университета лорд Эктон, "Нет ничего более необходимого для человека науки, чем ее история и логика научного исследования...- способы обнаружения ошибок, использования гипотез и воображения, методы проверок".

Многие крупные открытия в науке совершаются на вполне определенной теоретической базе. Пример - открытие планеты Нептун Леверье и Адамсом на базе небесной механики путем исследования возмущений в движении планеты Уран.

Фундаментальные научные открытия отличаются от других тем, что они связаны не с дедукцией из существующих принципов, а с разработкой новых основополагающих принципов. В истории науки выделяются фундаментальные научные открытия, связанные с созданием таких фундаментальных научных теорий и концепций, как геометрия Евклида, гелиоцентрическая система Коперника, классическая механика Ньютона, геометрия Лобачевского, генетика Менделя, теория эволюции Дарвина, теория относительности Эйнштейна, квантовая механика. Эти открытия изменили представление о действительности в целом, т.е. носили мировоззренческий характер.

Как упоминалось выше, в истории науки есть много фактов, когда фундаментальное научное открытие делалось независимо друг от друга несколькими учеными практически в одно время. Например, неевклидова геометрия была построена практически одновременно Лобачевским, Гауссом и Больяни; Дарвин обнародовал свои идеи об эволюции практически одновременно с Уоллесом; специальная теория относительности была разработана одновременно Эйнштейном и Пуанкаре.

Из того, что фундаментальные открытия делаются почти одновременно разными учеными, следует вывод об их исторической обусловленности. Фундаментальные открытия всегда возникают в результате решения фундаментальных проблем, т.е. проблем, имеющих глубинный, мировоззренческий, а не частный характер. Так, Коперник увидел, что два фундаментальных мировоззренческих принципа его времени - принцип движения небесных тел по кругам и принцип простоты природы не реализуются в астрономии; решение этой фундаментальной проблемы привело его к величайшему открытию - гелиоцентрической модели мира.

Неевклидова геометрия была построена, когда проблема пятого постулата Евклида перестала быть частной проблемой геометрии и превратилась в фундаментальную проблему математики, ее оснований.

Интенсивное развитие науки в XIX - XX вв. привело к узловым проблемам естествознания, которые должны быть разрешены в ближайшие годы, ибо для этого накоплен достаточный арсенал теоретических знаний и экспериментальной техники. В первую очередь, речь идет о причинах и механизмах возникновения жизни на Земле. Если существующие теории и могут объяснить появление простейших органических веществ и аминокислот в результате существования специфического химического состава земной поверхности и воздействия на него солнечного излучения, то появление молекул, образующих двойную спираль и несущих наследственный код, остается необъяснимым по причине ничтожной вероятности самопроизвольного синтеза подобных молекул, даже принимая во внимание значительный временной период, в котором этот процесс мог бы реализоваться. Подобный же вопрос возникает при изучении, например, механизма зрения высоко организованных живых существ. Можно предположить, что цепочка преобразования света в электрический сигнал и цепочка передачи нервного импульса формируются независимо в эволюционном процессе, хотя трудно предположить их независимое формирование, так как не может формироваться какая-то функция организма, если в ней нет непосредственной необходимости. Но еще труднее понять, как эти две цепочки "нашли" друг друга. Вопросы космологии, происхождения мира, его границ, множественности, начала и конца также требуют своего решения, в том числе для понимания места и роли человечества в мире.

В соответствии с классическими представлениями о науке она не должна содержать 'никакой примеси заблуждений'. Сейчас истинность не рассматривается как необходимый атрибут всех познавательных результатов, претендующих на научность. Она является центральным регулятором научно-познавательной деятельности.

Для классических представлений о науке характерен постоянный поиск 'начал познания', 'надежного фундамента', на который могла бы опираться вся система научных знаний.

Однако в современной методологии науки развивается представление о гипотетическом характере научного знания, когда опыт не является больше фундаментом познания, а выполняет в основном критическую функцию.

На смену фундаменталистской обоснованности как ведущей ценности в классических представлениях о научном познании все больше выдвигается такая ценность, как эффективность в решении проблем.

В качестве эталонов на протяжении развития науки выступали разные области научного знания. 'Начала' Евклида долгое время были притягательным эталоном буквально во всех областях знания: в философии, физике, астрономии, медицине и др. Однако сейчас хорошо осознаны границы значимости математики как эталона научности, которые, например, сформулированы так: 'В строгом смысле доказательства возможны только в математике, и не потому, что математики умнее других, а потому, что сами создают вселенную для своих опытов, все же остальные вынуждены экспериментировать с Вселенной, созданной не ими'.

Триумф механики в XVII - начале XIX веках привел к тому, что ее стали рассматривать как идеал, образец научности. Эддингтон говорил, что когда физик стремился объяснить что-либо, 'его ухо изо всех сил пыталось уловить шум машины. Человек, который сумел бы сконструировать гравитацию из зубчатых колес, был бы героем викторианского века'.

Начиная с Нового времени, физика утверждалась как эталонная наука. Если сначала в качестве эталона выступила механика, то потом - весь комплекс физического знания. Ориентация на физический идеал в химии была ярко выражена, например, П. Бертло, в биологии - М. Шлейденом. Г. Гельмгольц утверждал, что 'конечная цель' всего естествознания - 'раствориться в механике'. Попытки построения 'социальной механики', 'социальной физики' и т.п. были многочисленны.

Физический идеал научного знания, безусловно доказал свою эвристичность, однако, сегодня ясно, что реализация этого идеала часто тормозит развитие других наук: математики, биологи, социальных наук и др.

Помимо социокультурной обусловленности, всякое научное познание, в том числе и гуманитарное, должно характеризоваться внутренней, предметной обусловленностью. Поэтому гуманитарный идеал не может быть реализован даже в своей предметной области, а тем более в естествознании. Гуманитарный идеал научности иногда рассматривается как переходная ступень к некоторым новым представлениям о науке, выходящим за пределы классических представлений.

Вообще, для классических представлений о науке характерно стремление выделить 'эталон научности', к которому должны 'подтянуться' все другие области познания.

Если в соответствии с классическими представлениями о науке ее выводы должны определяться только самой изучаемой реальностью, то для современной методологии науки характерно принятие и развитие тезиса о социально-культурной обусловленности научного познания.

Социальные (социально-экономические, культурно-исторические, мировоззренческие, социально-психологические) факторы развития науки не оказывают прямого влияния на научное знание, которое развивается по своей внутренней логике.

В методологии науки выделяются такие функции науки, как описание, объяснение, предвидение, понимание. Однако такое понимание функций науки сформировалось в результате противоборства различных точек зрения в этом вопросе.

Кант основной функцией науки считал предвидение. Он писал: 'Истинное положительное мышление заключается преимущественно в способности знать, чтобы предвидеть, изучать то, что есть, и отсюда заключать о том, что должно произойти согласно общему положению о неизменности естественных законов'. Другая точка зрения развивалась известным философом и физиком Э. Махом. Он отмечал: 'Дает ли описание все, что может требовать научный исследователь? Я думаю, что да!'. Объяснение и предвидение Мах сводил к описанию. Теория, с его точки зрения, - это как бы спрессованная эмпирия, то есть общее описание массива экспериментальных данных, и между теорией и простым наблюдением нет никакой существенной разницы ни в отношении происхождения, ни в отношении конечного результата. В результате он сделал вывод, что атомно-молекулярная теория есть ничто иное как "мифология природы". Аналогичную позицию занимал в первый период своей научной деятельности и известный химик В. Оствальд. Интересно отметить, что научная деятельность обоих ученых протекала в конце XIX - начале XX века. По этому поводу А. Эйнштейн писал: 'Предубеждение этих ученых против атомной теории можно, несомненно, отнести за счет их позитивистской философской установки. Это - интересный пример того, как философские предубеждения мешают правильной интерпретации фактов даже ученым со смелым мышлением и тонкой интуицией. Предрассудок, который сохранился до сих пор, заключается в убеждении, будто факты сами по себе, без свободного теоретического построения, могут и должны привести к научному познанию'. Философ Нового времени В. Дильтей, известный своими работами о сущности гуманитарных и естественных наук, считал, что познавательная основная функция наук о природе - это объяснение природы и природных явлений. Однако на самом деле науки о природе также выполняют функцию понимания. Объяснение связано с пониманием, поскольку объяснение аргументировано демонстрирует нам осмысленность существования объекта, а значит, позволяет понять его.

Этические нормы не только регулируют применение научных результатов, но и содержатся в самой научной деятельности.

Норвежский философ Г. Скирбекк отмечает: 'Будучи деятельностью, направленной на поиск истины, наука регулируется нормами: 'ищи истину', 'избегай бессмыслицы', 'выражайся ясно', 'старайся проверять свои гипотезы как можно более основательно' - примерно так выглядят формулировки этих внутренних норм науки'. В этом смысле этика содержится в самой науке, и отношения между наукой и этикой не ограничиваются вопросом о хорошем или плохом применении научных результатов.

Наличие определенных ценностей и норм, воспроизводящихся от поколения к поколению ученых и являющихся обязательными для человека науки, т.е. определенной научной этики, очень важно для самоорганизации научного сообщества (при этом нормативно-ценностная структура науки не является жесткой). Отдельные нарушения этических норм науки в общем скорее чреваты большими неприятностями для самого нарушителя, чем для науки в целом. Однако если такие нарушения приобретают массовый характер, под угрозой уже оказывается сама наука. К этическим нормам, которые, безусловно, должны выполняться, следует отнести: признание приоритета ученого, открывшего то или иное явление или закономерность, опубликование достоверных экспериментальных результатов, ознакомление широкой научной общественности с деталями эксперимента, используя научные публикации и конференции, полное цитирование предшествующих работ, выполненных по той же проблеме, указание слабых сторон исследования, открытость условий и деталей эксперимента для желающих ознакомиться с ними.

Этическая оценка науки сейчас должна быть дифференцированной, относящейся не к науке в целом, а к отдельным направлениям и областям научного знания. Такие морально-этические суждения играют очень конструктивную роль.

Современная наука включает в себя человеческие и социальные взаимодействия, в которые вступают люди по поводу научных знаний. 'Чистое' изучение наукой познаваемого объекта - это методологическая абстракция, благодаря которой можно получить упрощенную картину науки. На самом деле объективная логика развития науки реализуется не вне ученого, а в его деятельности. В последнее время социальная ответственность ученого является неотъемлемым компонентом научной деятельности. Эта ответственность оказывается одним из факторов, определяющих тенденции развития науки, отдельных дисциплин и исследовательских направлений.

В 70-е годы XX века ученые впервые объявили мораторий на опасные исследования. В связи с результатами и перспективами биомедицинских и генетических исследований группа молекулярных биологов и генетиков во главе с П. Бергом (США) добровольно объявили мораторий на такие эксперименты в области генной инженерии, которые могут представлять опасность для генетической конституции живущих ныне организмов. Тогда впервые ученые по собственной инициативе решили приостановить исследования, сулившие им большие успехи. Социальная ответственность ученых стала органической составляющей научной деятельности, ощутимо влияющей на проблематику и направления исследований.

Прогресс науки расширяет диапазон проблемных ситуаций, для решения которых недостаточен весь накопленный человечеством нравственный опыт. Большое число таких ситуаций возникает в медицине. Например, в связи с успехами экспериментов по пересадке сердца и других органов остро встал вопрос об определении момента смерти донора. Этот же вопрос возникает и тогда, когда у необратимо коматозного пациента с помощью технических средств поддерживается дыхание и сердцебиение. Нельзя считать, что этические проблемы являются достоянием лишь некоторых областей науки. Ценностные и этические основания всегда были необходимы для научной деятельности. В современной науке они становятся весьма заметной и неотъемлемой стороной деятельности, что является следствием развития науки как социального института и роста ее роли в жизни общества.

© Центр дистанционного образования МГУП