Эксперимент как основа естествознания
I. Введение
С самого момента возникновения философии человек размышляет о возможностях и границах познания. Философские размышления велись главным образом либо в русле эмпиризма, пренебрегающего ролью творческого мышления и развитием понятийного аппарата, либо в русле рационализма, который не учитывал практики как критерия истины, как основы, отправной точки и цели познания. В результате успехов естественных наук многим эмпирикам стало казаться, что исследовательская работа в этой области нуждается лишь в прагматическом оправдании, а не в философском обосновании. Ф. Энгельс показал, однако,
Что “самая плоская эмпирия, презирающая всякую теорию и относящаяся с недоверием ко всякому мышлению”, - это самый верный путь от естествознания к мистицизму.
Диалектика познания нуждается в философском осмыслении. При этом речь идет как о материалистическом объяснении процессов мышления, так и о сложных отношениях, возникающих в процессе теоретического и практического освоения действительности людьми. Попытка Канта преодолеть эмпиризм и рационализм оказалась безуспешной.
Разработка теории познания, отвечающей современному развитию науки, не может быть задачей одной лишь философии. Поскольку она должна давать для отдельных научных дисциплин мировоззренческие, гносеологические и методологические основы, поскольку она делает это с помощью анализа результатов этих наук, истории науки и философско-гносеологических воззрений ученых. Философский аспект изучения процесса познания заключается в обосновании теории отражения, в учете исторического характера познания и диалектики развития познания.
Философская постановка вопроса выходит, однако, за рамки проблем истории теорем познания. Она включает мировоззренческие проблемы, касающиеся связи познания с гуманизмом, и рассмотрение эффективности результатов познания. Речь идет об ответственности ученых в двояком отношении. С одной стороной, должно учитываться соотношение между приложенными затратами и полученной пользой с целью обеспечения наибольшей эффективности исследований. Это особенно трудно сделать в отношении фундаментальных исследований, так как практические результаты здесь нередко проявляются в более или менее отдаленном будущем. С другой стороны, эксперименты, поскольку они прямо или косвенно затрагивают людей, не могут связываться только с критериями экономической эффективности. Эксперименты с людьми и на людях требуют соблюдения гуманистических принципов. Общественная потребность в научных знаниях может быть удовлетворена только при наличии соответствующего задела и полном высвобождении творческих потенций. Для этого необходимы определенные условия.
II
1. Практическая направленность эксперимента
Развитие общества в значительной степени определяется уровнем наукоемких технологий, многочисленные направления которых основаны на достижениях соответствующих отраслей естествознания. Современное естествознание обладает большим многообразием методов исследований, среди которых эксперимент – наиболее эффективное и действенное средство познания.
Для эксперимента сегодняшнего дня характерны три основные особенности:
* возрастание роли теоретической базы эксперимента. Во многих случаях эксперименту предшествует теоретическая работа, концентрирующая громадный труд большого числа теоретиков и экспериментаторов;
* сложность технического оснащения эксперимента. Техника эксперимента, как правило, насыщена многофункциональной электронной аппаратурой, прецизионными механическими устройствами, высокочувствительными приборами, высокоточными преобразователями и т. п. Большинство экспериментальных установок представляет собой полностью замкнутую систему автоматического регулирования, в которой технические средства обеспечивают заданные условия эксперимента с вполне определенной точностью, регистрируют промежуточные экспериментальные результаты и производят последовательную их обработку;s
* масштабность эксперимента. Некоторые экспериментальные установки напоминают сложные объекты крупных масштабов. Строительство и эксплуатация таких объектов стоит больших финансовых затрат. Кроме того, экспериментальные объекты могут оказать активное действие на окружающую среду.
Эксперимент базируется на практическом воздействии субъекта на исследуемый объект и часто включает операции наблюдения, приводящие не только к качественным, описательным, но и к количественным результатам, требующим дальнейшей математической обработки. С этой точки зрения эксперимент- разновидность практического действия, предпринимаемого с целью получения знания. В процессе экспериментального естественнонаучного исследования в контролируемых и управляемых условиях изучаются многообразные свойства и явления природы.
Отличаясь от простого наблюдения активным воздействием на объект, в большинстве случаев эксперимент осуществляется на основе той или иной теории, определяющей постановку экспериментальной задачи и интерпретацию результатов. Нередко основная задача эксперимента - проверка гипотез и предсказаний теории, имеющих фундаментальное, прикладное и принципиальное значение. Являясь критерием естественнонаучной истины, эксперимент представляет собой основу научного познания действительности.
Эксперимент, как и наблюдение, относится к эмпирическим формам естественнонаучного познания. Однако между ними есть существенные различия: эксперимент - преобразующая внешний мир деятельность человека, а наблюдению свойственны черты созерцательности и чувственного восприятия исследуемого объекта. В процессе эксперимента при активном вмешательстве исследуемый объект искусственно выделяются те или иные его свойства, которые и являются предметом изучения в естественных либо в специально созданных условиях.
В процессе естественнонаучного эксперимента часто прибегают к физическому моделированию как исследуемого объекта, так и различных управляемых условий, в которых находится объект. Для этого создаются специальные установки и устройства: барокамеры, термостаты, магнитные ловушки, ускорители и т. п. С помощью их создаются сверхнизкие и сверхвысокие температуры и давления, вакуум и другие условия. В некоторых случаях моделирование исследуемого объекта – единственное средство реализации эксперимента.
Многие экспериментальные исследования направлены не только на обоснование естественнонаучной истины, но и на обработку технологий изготовления новых видов разнообразной высококачественной продукции. Именно в этом наиболее сильно проявляется практическая направленность эксперимента как прямого пути совершенствования любого технологического цикла.
Экспериментальные средства по своей сути не однородны: их можно разделить на три основные, отличающиеся функциональным назначением системы:
* * содержащую исследуемый объект с заданными свойствами;
* * обеспечивающую воздействие на исследуемый предмет;
* * сложную приборную измерительную систему;
В зависимости от экспериментальной задачи данные системы играют разную роль. Например, при определении магнитных свойств вещества результаты эксперимента во многом зависят от чувствительности приборов. В то же время при проведении экспериментов с веществом, не встречающимся в природе при обычных условиях, да еще и при низкой температуре, все системы экспериментальных средств играют важную роль.
Чем сложнее экспериментальная задача, тем острее стоит вопрос чистоты эксперимента и достоверности полученных результатов. Можно назвать четыре пути решения данного вопроса:
* многократное повторение измерений;
* совершенствование технических систем и приборов; повышение их точности, чувствительности, разрешающей способности;
* более строгий учет основных и не основных факторов, влияющих на исследуемый объект;
* предварительное планирование эксперимента, позволяющее наиболее полно учесть специфику исследуемого объекта и возможности приборного обеспечения.
Чем чище поставлен эксперимент, чем тщательнее предварительно проанализированы все особенности исследуемого объекта и чем чувствительнее приборы, тем точнее экспериментальные результаты и тем ближе они соответствуют естественно - научной истине.
В любом естественно – научном эксперименте можно выделить три основных этапа:
* подготовительный;
* получение экспериментальных данных;
* обработка результатов эксперимента и их анализ;
Подготовительный этап обычно включает теоретическую проработку проведения эксперимента, его планирование под готовку исследуемого объекта, конструирование и создание технической базы, включающей приборное обеспечение. На хорошо подготовленной экспериментальной базе полученные данные, как правило, легче поддаются сложной математической обработке. Анализ результатов эксперимента позволяет оценить тот или иной параметр исследуемого объекта и сопоставить его либо с соответствующим теоретическим значением, либо с экспериментальным значением, полученным другими техническими средствами, что очень важно при определении правильности и степени достоверности полученных результатов.
Теоретические предпосылки эксперимента
Взаимная обусловленность эмпирических и теоретических знаний вряд ли вызывает сомнение Современные эксперименты и теория настолько сильно переплетены, что однозначно ответить на вопрос, какое из данных знаний можно рассматривать в качестве абсолютного начала естественно – научного познания, практически не представляется возможным, хотя можно привести многочисленные примеры научных изысканий, когда эмпирические начала предвосхищают теорию, и наоборот.
В теоретические исследования все больше внедряются наиболее абстрактные разделы математики, и многие теоретические расчеты выполняются с помощью мощных вычислительных средств. Экспериментальное исследование развивается за счет внедрения новых методов с применением сравнительно сложных технических средств. Эксперимент все чаще приобретает индустриальные, а в отдельных случаях и гигантские масштабы. Вместе с тем возрастает роль и его теоретического обеспечения, то есть можно уверенно говорить о теоретической обусловленности современных экспериментальных исследований.
На всех этапах экспериментальных исследований весьма важна мыслительная деятельность экспериментатора, которая чаще всего носит философский характер. Решая, например, вопросы: что такое электрон, является ли он элементом реального мира или чистой абстракцией, можно ли его наблюдать, в какой мере знания об электроне истины и тому подобное – ученый так или иначе касается философских проблем естествознания. Более глубокая связь естествознания с философией свидетельствует о более высоком уровне его развития. Естественно, с течением времени теоретическое мышление с философской ориентацией меняется и приобретает различные формы и содержание. Лучших результатов достигнет естествоиспытатель, свободно владеющий своими узкопрофессиональными вопросами и достаточно легко ориентирующийся в общих философских вопросах, связанных прежде всего с диалектикой и теорией естественно – научного познания.
Стремление ученых создать научную картину мира сближает естествознание с философией. Научная картина мира обладает большей общностью, чем теоретические схемы конкретных естественнонаучных утверждений. Она образуется посредством особых связей отдельных элементов познания и представляет собой весьма общую идеальную модель реальных процессов, явлений и свойств вещества, исследуемых в рамках узких отраслей естествознания. В широком понимании научная картина мира выражает общее знание о природе, характерное для данного этапа развития общества. Описание картины мира в общем представлении создает понятия, более или менее близкие к понятиям повседневного, обыденного языка.
В те периоды развития естествознания, когда на смену старой картины мира приходит новая, при постановке эксперимента возрастает роль философских идей в виде теоретических постулатов, на основе которых реализуется эксперимент.
В эпоху становления физики как науки, когда специальных естественнонаучных теорий не существовало, ученые, как правило, руководствовались общими философскими представлениями о единстве и родстве материальных объектов и явлений природы. Например, Г. Галилей, закладывая основы классической механики, опирался на общую модель единства мира. Такая идея помогла “земными глазами” взглянуть на небо и описать движение небесных тел по аналогии с движением тел на Земле, что в свою очередь подтолкнуло ученых к более тщательному изучению различных форм механического движения, в результате чего были открыты классические законы механики.
Философская идея материального единства мира питала многие экспериментальные исследования и способствовала накоплению новых естественнонаучных фактов. Так, например, известный датский физик X. Эрстед, размышляя о связи между разными по физической природе явлениями - теплотой, светом, электричеством и магнетизмом, - в результате экспериментальных исследований открыл магнитное действие электрического тока.
Особенно важна роль теоретических предпосылок эксперимента, когда сложившиеся теоретические знания служат основой новых естественнонаучных проблем и гипотез, требующих предварительного эмпирического обоснования.
В современных условиях возрастает роль теоретической работы на подготовительном этапе эксперимента, на каждой операции его по-разному включаются те или иные теоретические и практические процедуры исследований. Можно назвать четыре основные операции подготовительного этапа эксперимента:
* • постановка задачи эксперимента и выдвижение гипотетических вариантов её решения;
* • разработка программы экспериментального исследования;
* • подготовка исследуемого объекта и создание экспериментальной установки;
* • качественный анализ хода эксперимента и корректировка программы исследования и приборного обеспечения.
При кажущейся случайности эмпирические открытия вписываются в вполне определенную логическую схему, отправным элементом которой выступает противоречие между известным теоретическим знанием и новыми эмпирическими данными. Такое противоречие является логическим основанием вновь возникшей проблемы - своеобразной границы между знанием и незнанием - первого шага осмысления неизвестного. Следующий шаг - выдвижение гипотезы как возможного решения проблемы.
Выдвинутая гипотеза вместе с выводимыми из неё следствиями служит основой, определяющей цели, задачи и практические средства эксперимента. В одних случаях при сложившейся теоретической схеме гипотеза может обладать высокой степенью достоверности. Такая гипотеза жестко задает программу эксперимента и нацеливает его на поиск теоретически предсказанного результата. В других случаях, когда теоретическая схема только-только зарождается, степень достоверности гипотезы может быть не высокой. При этом теория лишь эскизно задает схему эксперимента, увеличивается число проб и ошибок.
На подготовительной стадии эксперимента огромную, неоценимую роль играет изобретательская и конструкторская работа как научный творческий процесс. Успех любой экспериментальной работы зависит от таланта ученого, определяемого его прозорливостью, глубиной абстрактного мышления, оригинальностью решения технических задач, способностью к изобретательской деятельности, представляющей собой последовательный, целенаправленный переход от теоретического знания к практическому поиску.
Таким образом, хотя эксперимент основывается на практической деятельности, но, будучи естественнонаучным методом познания действительности, он включаетлогические и теоретические средства, гармоническое сочетание которых и позволяет успешно решить поставленную задачу.
Сочетание практических и теоретических знаний
Подготовка исследуемого объекта и создание экспериментальной установки - важные шаги реализации программы исследований, после которых наступает основной период проведения самой экспериментальной работы. Такой период, казалось бы, характеризуется чисто эмпирическими признаками: изменением управляемых условий, включением и выключением приборов и различных механизмов, фиксированием тех или иных свойств, эффектов и т. п. В ходе эксперимента как бы уменьшается роль теории. Но на самом деле наоборот - без теоретического знания невозможны постановка промежуточных задач и их решение. Экспериментальная установка - овеществленное, материализованное знание. Роль теории в ходе эксперимента предполагает выяснение механизма формирования объекта познания и взаимодействия субъекта, приборов и объекта, измерения, наблюдения и регистрации экспериментальных данных.
Теоретические предпосылки могут содействовать получению позитивных сведений о мире, научному открытию либо мешать, уводить поиск в сторону от верного пути - все зависит от того, верны или не верны данные предпосылки. Иногда ученые в силу объективных или субъективных обстоятельств руководствуются ложными предпосылками, что, естественно, не способствует объективному отражению действительности. Например, ложное истолкование научных проблем кибернетики и генетики привело к существенному отставанию в данных отраслях знания.
В истории естествознания прослеживается тенденция развития процесса познания от качественного изучения объекта или явления к установлению их количественных параметров и выявлению общих закономерностей, выраженных в строгой математической форме. Строгость и точность экспериментальных сведений при этом зависит от совершенства методов измерений и чувствительности разрешающей способности и точности измерительной техники.
Современный эксперимент характеризуется высокой точностью измерений. Можно назвать несколько путей повышения точности:
1) введение новых эталонов;
2) применение чувствительных приборов;
3) учет всех условий, влияющих на объект;
4) сочетание разных видов измерений;
5) автоматизация процесса измерений.
Оптимальное сочетание данных путей определяется субъективным свойством естествоиспытателя и в большой степени зависит от степени совершенства экспериментальной техники.
Организация постоянного взаимодействия наблюдения, измерения и количественного описания в процессе эксперимента опосредуется теоретическими знаниями, включающими философское представление о картине мира, гипотезы и т. д.
Теоретические знания в ходе эксперимента лежат в основе:
* формирования сложного объекта исследований;
* перегруппировки элементов объекта, скрытых от непосредственного наблюдения;
* фиксации и регистрации экспериментальных данных;
* интерпретации полученных данных и их сопоставления с теоретическими.
При реализации данных процессов естествоиспытатель постоянно сверяет свои действия и результаты с теоретическими посылками. Когда эксперимент находится в завершающейся стадии и собраны основные экспериментальные результаты, теоретическая работа не прекращается - она направлена на обработку результатов эксперимента.
Обработка экспериментальных результатов
После получения первых экспериментальных результатов процедура эксперимента продолжается. Во-первых, как правило, разовый эксперимент не дает окончательного ответа на поставленный вопрос. Во-вторых, полученные экспериментальные результаты нуждаются в логической доработке, превращающей их в научный факт, т. е. в то, в истинности чего не возникает сомнений.
Представление о фактах как проявлениях действительности, непосредственно фиксируемых в формах чувственного отражения, сложилось в науке на ранней стадии зарождения естествознания. Практика современного естествознания показывает, что не все факты непосредственно воспринимаются, чаще всего факты не являются тем, что бросается сразу в глаза и может быть зафиксировано всеми, кто обладает нормальным зрением.
Факты в естествознании не просто собираются, а активно формируются естествоиспытателем, что отнюдь не снижает их объективности. В равной мере и теория, несмотря на проявление творческой активности субъекта, не утрачивает своей объективности, если она истинна.
Отдельные экспериментальные данные, полученные на начальной стадии эмпирического исследования, сами по себе не становятся фактами науки. В них могут содержаться ошибки, связанные с некорректной постановкой эксперимента, неправильными показаниями измерительных приборов, отклонениями в функционировании органов чувств и т. п. Поэтому в естествознании, как правило, проводится не один, а серия экспериментов. Уточняются и проверяются результаты эксперимента, собираются недостающие сведения, проводятся дополнительные эксперименты. Затем полученные в серии экспериментов данные подвергаются математической обработке.
При кажущейся простоте получения и обработки первичных экспериментальных данных, т. е. результатов наблюдений и измерений, математическая обработка, обладая определенной спецификой, производится в рамках строгой теории ошибок, на основании которой количественно определяется достоверность окончательных результатов. Сколь бы точными ни были наблюдения и измерения, погрешности неизбежны, и задача естествоиспытателя заключается в том, чтобы приблизить экспериментальные данные к объективным значениям определяемых величин, т. е. уменьшить интервал неточности. Для этого каждый исследователь должен иметь представление обо всех ошибках, встречающихся в практике экспериментального исследования. Современная теория ошибок вооружает экспериментаторов надежными средствами корректировки экспериментальных данных.
Статистическая обработка - не только эффективное средство уточнения экспериментальных данных, отсеивания случайных ошибок, но и первый шаг обобщения их в процессе формирования научного факта. Разумеется, статистическая обработка - необходимая, но не достаточная операция при переходе от эмпирических данных к естественнонаучным фактам
После уточнения экспериментальных результатов начинается следующая стадия - сравнение и обработка. Если в результате сравнения и обобщения готовится материал для последующих обобщений, то в науке фиксируется новое явление. Однако это не означает завершения процесса формирования научного факта. Вновь зафиксированное явление становится научным фактом после его интерпретации.
Таким образом, научный факт, полученный в эксперименте, представляет собой результат обобщения совокупности выводов, основанных на наблюдениях и измерениях характеристик исследуемого объекта при предсказании их в виде гипотезы.
2. Современные средства естественнонаучных исследований
Специфика современных, экспериментальных и теоретических исследований
На протяжении всех этапов 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 Макс Планк.
Произошло, таким образом, деление естествоиспытателей на профессиональных теоретиков и экспериментаторов. Во многих отраслях естествознания возникли экспериментальные и теоретические направления и в соответствии с ними появились специализированные лаборатории и даже институты, например Институт теоретической физики. Такой процесс наиболее активно проходит во второй половине XX столетия. В прежние времена не только Ньютон и Гюйгенс, но и такие выдающиеся теоретики, как Максвелл, обычно сами экспериментально проверяли свои теоретические выводы и утверждения. В последние же десятилетия только в исключительных случаях
теоретик проводит экспериментальную работу, чтобы подтвердить выводы своих теоретических изысканий.
Одна из существенных объективных причин профессиональной обособленности экспериментаторов и теоретиков заключается в том, что технические средства эксперимента значительно усложнилась. Экспериментальная работа требует концентрации больших усилий, она не под силу одному человеку и выполняется в большинстве случаев целыми коллективом научных работников. Например, для проведения эксперимента с применением ускорителя, реактора и т. п. требуется относительно большой штат научных сотрудников. Поэтому даже при большом желании теоретик не в состоянии проверить на практике свои теоретические выводы и предложения.
Еще в 60-е годы нынешнего столетия, когда практически все отрасли естествознания находились на подъеме, академик П. Л. Капица с тревогой говорил о разрыве между теорией и экспериментом, между теорией и жизнью, между теорией и практикой, отмечая отрыв теоретической науки от жизни, с одной стороны, и, с другой стороны, недостаточно высокое качество экспериментальных работ, что нарушает гармоническое развитие науки.
Гармоническое развитие естествознания возможно тогда, когда теория опирается на достаточно крупную экспериментальную базу. А это означает, что для экспериментатора нужна хорошая материальная база: помещение со всевозможным специальным оборудованием, большой набор высокочувствительных приборов, специальные материалы, мастерские и т. п. Темпы развития естествознания в значительной степени обусловливаются совершенством такой материальной базы.
Отрыв теории от эксперимента, опыта, практики наносит громадный ущерб прежде всего самой теории и, следовательно, науке в целом. Отрыв от опыта и жизни характерен не только для естествоиспытателей, но и для философов, занимающихся философскими проблемами естествознания. Ярким примером может служить отношение некоторых философов к кибернетике в конце 40-х - начале 50-х годов, когда в отечественных философских словарях кибернетика называлась реакционной лженаукой. Если бы ученые руководствовались таким определением кибернетики, то, очевидно, освоение космоса и создание современных наукоёмких технологий не стало бы реальностью, так как сложные многофункциональные процессы, вне зависимости от их области применения, управляются кибернетическими системами.
Работа крупных ученых-естествоиспытателей, внесших большой вклад в развитие современного естествознания, несомненно проходила в тесной взаимосвязи теории и эксперимента. Поэтому для развития естествознания на здоровой почве всякое теоретическое обобщение должно непременно проверяться на опыте. Только гармоническое развитие эксперимента и теории способно поднять на качественно новый уровень все отрасли естествознания.
Современные методы и технические средства эксперимента
Экспериментальные методы и технические средства современных естественнонаучных исследований достигли высокой степени совершенства. Многие технические устройства эксперимента основаны на физических принципах. Но их практическое применение выходит далеко за рамки физики - одной из отраслей естествознания. Они широко применяются в химии, биологии и других смежных естественных науках. С появлением лазерной техники, компьютеров, спектрометров и другой совершенной техники стали доступны для экспериментального исследования неизвестные ранее явления природы и свойства материальных объектов, стал возможен анализ быстропротекающих физических и химических процессов.
Лазерная техника.
Для экспериментальных исследований многих физических, химических и биологических процессов весьма важны три направления развития лазерной техники:
* разработка лазеров с перестраиваемой длиной волны излучения;
* создание ультрафиолетовых лазеров;
* сокращение длительности импульса лазерного излучения до 1 пс (10-12 с) и меньше.
Чем шире спектр излучения лазера, в котором он может перестраиваться, тем ценнее такой лазер для исследователя. Среди лазеров с перестраиваемой длиной волны широко применяются лазеры на красителях. Длина волн излучения таких лазеров охватывает спектр от ближней ультрафиолетовой области До ближней инфракрасной, включая видимый диапазон, и легко перестраивается в этом спектре. К настоящему времени разработаны лазеры, длина волны которых составляет менее 300 нм, т. е. соответствует ультрафиолетовой области. К таким лазерам относится, например, криптон-фторидный лазер.
Разрабатываются лазеры, длительность импульса излучения которых составляет менее 1 пс. Такие лазеры, несомненно, позволят определить механизм физических, химических и биологических процессов, протекающих с чрезвычайно высокой скоростью.
Трудно перечислить все области применения лазеров для исследования многообразных химических процессов. Назовем лишь некоторые из них: в фотохимии лазер помогает изучить процесс фотосинтеза и тем самым найти способ более эффективно использовать солнечную энергию; с помощью лазеров разделяются изотопы, например, производится очистка изотопов урана и плутония; лазерные приборы служат анализаторами химического состава воздуха; в биологии лазеры дают возможность изучать живые организмы на клеточном уровне. Весьма многообразны применения лазеров в химической кинетике при исследовании различных процессов, длительность которых составляет от 10-6 до 10-12 и менее секунд.
Возможности естественнонаучных исследований расширяются с применением лазеров на свободных электронах. Принцип действия таких лазеров основан на том, что в пучке электронов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, в периодически изменяющемся магнитном поле в направлении движения электронов возникает излучение света. Эксперимент показывает, что лазеры на свободных электронах отличаются высокой эффективностью перестройки длины волны при большой мощности излучения в широком диапазоне - от микроволнового излучения до вакуумного ультрафиолета.
Синхротронные источники излучения.
Синхротроны применяются не только в физике высоких энергий для исследования механизма взаимодействия элементарных частиц, но и для генерации мощного синхротронного излучения с перестраиваемом длиной волны в коротковолновой ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра. Исследование структуры твердых тел определение расстояния между атомами, изучение строения молекул органических соединений - успешному решению этихи других задач способствует синхротронное излучение.
Экспериментальные методы расшифровки сложных структур.
Для идентификации и анализа сложных структур, в частности для анализа сложных молекул, необходимо управлять химическими процессами и затем определять состав и структуру продуктов реакций. Предложенные физиками эффективные методы экспериментальных исследований макрообъектов на молекулярном уровне - ядерный магнитный резонанс, оптическая спектроскопия, масс спектроскопия, рентгеноструктурный анализ, нейтронография и т. п. - позволяют исследовать состав и структуру необычайно сложных молекул, что способствует изучению, например, химической природы жизненно важных биологических процессов.
Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основан на анализе взаимодействия магнитного момента атомных ядер с внешним магнитным полем. Это один из важнейших методов в разных отраслях естествознания, в особенности, в химии: химии синтеза, химии полимеров, биохимии, медицинской химии и т. п. С помощью метода ЯМР можно определить, например, химическое окружение атомов водорода даже в таких сложных молекулах, как сегменты ДНК. Прогресс в развитии спектроскопии ЯМР зависит от возможности создания сильного магнитного поля, которое можно получить с помощью компактных сверхпроводящих магнитов. Созданный в 1973 г. томограф, основанный на ЯМР, позволяет наблюдать картину распределения химических отклонений и концентрации ядер таких крупных объектов, как тело человека, что весьма важно при диагностике ряда заболеваний, в том числе и злокачественных опухолей.
Оптическая спектроскопия позволяет анализировать спектр излучения вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном. Спектральный анализ - физический метод качественного и количественного определения состава вещества по его оптическому спектру излучения. В качественном спектральном анализе полученный спектр интерпретируют с помощью таблиц и атласов спектров элементов и индивидуальных соединений. Содержание исследуемого вещества при количественном спектральном анализе определяют по относительной или абсолютной интенсивности линий или полос спектра.
С применением лазерного источника излучения и персонального компьютера возможности оптического спектрометра значительно расширяются: такой спектрометр способен обнаружить отдельную молекулу или даже атом любого вещества.
С помощью метода индуцированной лазерной флуоресценции можно регистрировать загрязнение воздуха на расстоянии около двух километров.
В масс-спектроскопии исследуемое вещество вначале превращается в газовую фазу, затем газ конденсируется и ионы ускоряются до заданной кинетической энергии электрическим полем. Масса частиц может быть определена двумя способами:
измерением радиуса кривизны траектории иона и измерением времени пролета им заданного расстояния.
Масс-спектрометры отличаются высокой чувствительностью и могут обнаружить, например, три атома изотопа 14С среди 1016 атомов 12С. Такое содержание изотопа 14С соответствует, согласно радиоизотопному методу определения возраста пород возрасту в 70000 лет. Масс-спектрометрия широко применяется для анализа элементов, определения изотопного состава 1 строения молекулы в таких областях, как производство интегральных схем, металлургия, ядерная, нефтяная, фармацевтическая и атомная промышленность.
Комбинированные приборы - хромато-масс-спектрометры позволяют обнаружить в питьевой воде галогеноуглеводороды и нитрозамины, а также определить небольшие концентрации од ного из самых ядовитых веществ - изомеров диоксина.
Сочетание газового хроматографа с масс-спектрометром - лучший аналитический прибор для работы со сложными смеся ми, позволяющий решать разнообразные задачи химии, биола гаи, геохимии, экологии, криминалистики и других наук. Однако вплоть до недавнего времени применение такого прибора ограничивалось лишь легко испаряемыми веществами. С разработкой способов десорбции ионов из твердых образцов путем бомбардировки их ионами, фотонами или нейтральными частицами границы применения масс-спекгроскопии значительно расширились. Существенно увеличились предельные молекулярные массы соединений, исследуемых методом масс-спектроскопив Например, плазменная десорбция с применением бомбардировки продуктами деления радиоактивного калифорния-252 позволила получить ионы с молекулярной массой 23000 и про извести их масс-спектральный анализ. С помощью полевой и лазерной десорбции можно получить масс-спектральные характеристики фрагментов ДНК. Для идентификации неизвестного вещества методом масс-спекгроскопии достаточно всего 10-10 соединения. В плазме крови масс-спектрометр регистрирует активное вещество марихуаны в концентрации 0, 1 мг на кило грамм массы тела.
Современные электрохимические методы в сочетании с высокочувствительной аппаратурой открывают новые возможности исследования структуры и функций живой клетки: с помощью электродов, площадь которых составляет всего лишь несколько микрометров, можно регистрировать процессы, происходящая внутри клетки.
Для определения строения молекул необходимо знать пространственное расположение атомов. Зная молекулярную структуру, легче понять физические и химические свойства соединения, механизмы химических реакций и идентифицировать новые соединения. Один из наиболее распространенных методов исследования молекулярных структур - Рентгеноструктурный анализ, основанный на явлении дифракции, позволяет изучать все те соединения, которые удается получить в кристаллическом состоянии. Современные компьютеры расшифровывают рентгенограмму довольно сложной молекулярной структуры. Рентгеноструктурный анализ способствовал получению феромонов насекомых, применяемых для борьбы с вредителями в сельском хозяйстве, и изучению гормонов роста, необходимых для увеличения производства пищи и биомассы.
Рентгеноструктурный анализ дополняет нейтронография, основанная на дифракции нейтронов. Для нейтронографии необходимы потоки нейтронов, которые получаются в ядерных реакторах, что несколько ограничивает применение данного метода. Отличительная особенность нейтронографии - высокая точность определения расстояния между атомами. Нейтронография успешно применяется при определении структур сверхпроводников, рибосомы и других сложных молекулярных образований, а также расположения протонов, участвующих в образовании водородных связей, определяющих строение белков.
Важнейшие достижения современного естествознания
Несмотря на отставание экспериментальных исследований от теоретических, в естествознании второй половины XX столетия благодаря развитию экспериментальной базы достигнуты значительные успехи. Невозможно перечислить все достижения во всех отраслях естествознания, но можно однозначно утверждать, что большинство из них воплотилось в современных наукоемких технологиях. Высокотемпературная сверхпроводимость, молекулярные пучки, химические лазеры, достижения ядерной химии, химический синтез ДНК, клонирование и т. п. - вот некоторые °чень важные достижения современного естествознания.
Высокотемпературная сверхпроводимость. История сверхпроводимости начинается с 1911 г, когда датский ученый X. Камер-линг-Оннес, исследуя электрическое сопротивление охлажденных металлов, обнаружил, что при охлаждении ртути до температуры
жидкого гелия, составляющей около 4, 2 К, электрическое с противление этого металла скачком уменьшается до нуля. А это означает, что металл при данной температуре переходит сверхпроводящее состояние. По мере синтеза новых материал сверхпроводников температура перехода их в сверхпроводящее состояние неуклонно повышалась. В 1941 г. для бинарного сплава NaN была установлена температура сверхпроводящего перехода около 15 К, а в 1973 г. - примерно 23 К для другого бинарного сплава - NвGe.
С 1986 г. начинается новый этап исследования сверхпроводимости, положивший начало высокотемпературной сверхпроводимости: был синтезирован четырехкомпонентный материал на основе оксидов меди, температура перехода которых составляла приблизительно 37 К. Затем через непродолжительное время температуру перехода удалось поднять до 40, 52, 70, 92 и д же выше 100 К. В результате многочисленных эксперимент было установлено, что четырехкомпонентные оксиды меди, обладающие сложной кристаллической структурой, переходят в сверхпроводящее состояние примерно при 94 К.
В 1992 г. синтезирован материал, переходящий в сверхпроводящее состояние уже при 170 К. Такое сверхпроводящее состояние можно реализовать при охлаждении не жидким азоте а более дешёвым охладителем - жидким ксеноном. Этот сверхпроводящий материал состоит из оксида меди, стронция кальция; структура его относительно проста.
Широкое применение сверхпроводников позволит существенно сократить рассеяние энергии в различного рода электрических цепях, и особенно при электропередаче, потери которой составляют около 20% при использовании обычных проводников.
Химические лазеры.
Экспериментальное исследование смешивания двух газообразных соединений, проведенное более 10 л назад, позволило установить распределение энергии между молекулами. Например, в результате реакции атомного водорода молекулярным хлором в газовой форме образуется хлороводород и атомарный хлор, которые излучают инфракрасный свет. Анализ спектра излучения показывает, что существенная часть энергии (около 40%) представляет собой энергию колебательного движения молекулы НС1. За открытие такого рода явлений Джону Поляни (Университет Торонто) присуждена Нобелевская прем! по химии. Данные исследования привели к созданию перво химического лазера - лазера, получающего энергию от взрыва смеси водорода с хлором. Химические лазеры отличаются от обычных тем, что превращают в когерентное излучение не энергию электрического источника, а энергию химической реакции. Открыты десятки химических лазеров, в том числе и достаточно мощные для инициирования термоядерного синтеза (йодный лазер) и для военных целей (водородно-фторидный лазер).
Молекулярные пучки.
Молекулярный пучок представляет собой струю молекул, образующуюся при испарении вещества в специальной печи и пропускании его через узкое сопло, формирующее пучок в камере, в которой поддерживается сверхвысокий вакуум, исключающий межмолекулярные столкновения. При направлении молекулярного пучка на реагенты - соединения, вступающие в реакцию, - при низком давлении (10-10 атм) каждая молекула может участвовать не более чем в одном столкновении, приводящем к реакции. Для осуществления такого сложного эксперимента требуется установка сверхвысокого вакуума, источник интенсивных сверхзвуковых пучков, высокочувствительный масс-спектрометр и электронные определители времени свободного пробега молекул. За проведение этих экспериментов Юан-Чен Ли (Калифорнийский университет Беркли) и Дадли Херм-баху (Гарвардский университет) присуждена Нобелевская премия по химии. Опыты с молекулярными пучками позволили определить, например, ключевые реакции при горении этилена, при котором в реакции этилена с кислородом образуется короткоживущая молекула.
Достижения ядерной химии. Химия играет важную роль в исследовании свойств радиоактивных веществ и в разработке радиоактивных методов анализа, применяемых в различных отраслях естествознания. Одна из первых Нобелевских премий в области ядерных процессов была присуждена химику Отто Гану в 1944 г. за открытие деления ядер. В 1951 г. Нобелевская премия за открытие двух первых в Периодической системе трансурановых элементов была присуждена химику Гленну Сиборгу и его коллеге - физику Эдвину Мак-Миллану. Многие современные достижения науки о ядерных процессах получены при тесном взаимодействии химиков, физиков и ученых многих других направлений.
С применением химических методов в течение всего лишь 15 лет синтезированы химические элементы с номерами от 104 до 109. Было найдено много новых изотопов элементов, расположенных выше урана. Исследования изотопов позволили не только количественно описать многие ядерные процессы, но и определить свойства, от которых зависит устойчивость атомных ядер.
Одна из интересных задач ядерной химии - обнаружение супертяжелых элементов, т. е. элементов, входящих предсказанный остров стабильности, включающий атомный номер 114.
В последние десятилетия методы ядерной химии нашли яркое применение при исследовании грунта планет Солнечной системы и Луны. Например, для химического анализа грунта Луны применялся трансурановый элемент. Такой метод позволил определить около 90% элементов в трех различных местах лунной поверхности. Анализ изотопного состава образцов лунного грунта, метеоритов и других небесных тел помогает сформировать представление об эволюции Вселенной.
Ядерная химия применяется и в медицине. Например США ежегодно назначается около 20 млн. процедур с применением радиоактивных препаратов. Особенно широко распространено лечение щитовидной железы радиоактивным йодом. Практика показывает, что химические соединения радиоактивного технеция обладают терапевтическими свойствами. Позитрона метод, основанный на взаимодействии с исследуемым объектом позитронов, испускаемых короткоживущими изотопами углерода и фтора, а также применение стабильных изотопов в сочетании со спектроскопией ЯМР дают возможность исследования процессов обмена веществ в живых организмах и служат весьма эффективным средством ранней диагностики заболеваний.
Новая ядерная установка.
Одна из основных проблем атомной энергетики связана с нахождением таких условий протекания ядерных процессов, при которых можно было бы уме шить количество ядерных отходов и продлить срок службы атомных реакторов. Учеными разных стран отрабатываю многочисленные способы, способствующие решению этой весьма важной проблемы. Среди разных направлений в её решении уже воплощается в металл новое направление в ядерной энергетике - так называемый электрояд, на который ученые возлагают большие надежды. В Институте теоретической и экспериментальной физики Российской академии наук и в институтах других стран сооружается прообраз пока не известных практике ядерных установок, которые станут безотходными, экологически чистым более безопасными источниками энергии, чем многие из существующих. Действующая модель новой ядерной энергетической установки состоит из двух агрегатов - ускорителя элементарных частиц и бланкета - особого типа атомного реактора. Для технического воплощения этой новой идеи предполагается использовать старые атомные реакторы, выработавшие свой ресурс.
Химический синтез ДНК.
В полимерных молекулах ДНК природа кодирует информацию, необходимую для создания живого организма. Цепочка из повторяющихся сложноэфирных фосфатных связей между сахарами образует жесткий скелет ДНК, на котором информация записывается с помощью особого алфавита из четырех аминов аденина, тимина, цитозина и гуанина (А, Т, С, G). Последовательность таких циклических аминов кодирует информацию. Каждый из аминов содержит несколько атомов азота, ковалентно связанных с фрагментами сахаров. Двойная спираль ДНК включает водородные связи между аминами. Информацию, записанную в молекуле ДНК, можно прочитать, разрывая и вновь создавая относительно слабые водородные связи, совсем не затрагивая более прочные связи сахар-фосфат в цепочке-матрице.
Первый химический синтез гена, осуществленный более 20 лет назад, потребовал многолетней напряженной работы. В промышленных лабораториях уже синтезированы гены инсулина и интерферона. Произведен синтез гена для фермента рибо-нуклеозы, открывающей возможность изменять желаемым образом физические и химические свойства белка. Однако самыми современными методами получаются фрагменты генов длиной в сотни пар оснований, а для дальнейших исследований нужны фрагменты в 100 и более раз длиннее.
Успехи генной инженерии.
В высших организмах, в том числе и в организме человека, доля нуклеотидов в цепи ДНК, которые действительно кодируют последовательность аминокислот в белках, составляет только около 5%. Установлено, что в остальных нуклеотидных последовательностях ДНК закодирована информация о форме молекул ДНК. Например, выгибание фуранозного цикла (пятичленного циклического моносахарида), который существует как в ДНК, так и в РНК, приводит к подвижности их скелета.
Современная молекулярная биология позволяет вводить почта любой отрезок ДНК в микроорганизм, чтобы заставить его синтезировать тот белок, который кодирует данная ДНК. А соломенная органическая химия дает возможность синтезировать последовательности нуклеотидов - фрагменты генов. Такие фрагменты генов можно применять для изменения исходной последовательности оснований в гене, кодирующем нужный белок. Таким способом можно получить модифицированный белок с измененной последовательностью аминокислот, т. е. белок со структурой и функцией, ранее не существовавшими в природе.
Данный метод осуществления специфических мутации нормальных белках получил название мутагенеза. Он позволяет получить белки любой желаемой структуры. Кроме того, с раз синтезированная молекула гена, кодирующего белок, с мощью микроорганизмов может воспроизвести белок в угодных количествах.
Клонирование.
Успехи, достигнутые в разных отраслях естественных наук, открыли новые возможности в понимании строе геномов человека и других сложных организмов. Ученые научились соединять ДНК из разных организмов, определять и выделять сегменты ДНК, кодирующие нужный белок, определять нужные последовательности в больших фрагментах ДНК.
Найти единственно нужный сегмент ДНК, содержащие всего в одном гене, среди огромного количества генетического материала клетки организма человека столь же трудно, как отыскать иголку в стоге сена. Решение данной проблемы дает применение рекомбинантных ДНК. Фрагменты ДНК клетки встраиваются в миллион быстро делящихся бактерий. Каждая из бактерий, которые выращиваются отдельно, дает целую колонию своих потомков. Применяя методы диагностики, чувствительные к определенной функции гена, находят колонию бактерий, содержащую новый ген. Каждая из быстро растущих колоний бактерий дает миллиарды одинаковых копий каждого гена. Поэтому такой ген можно выделить из бактерий в химически чистом виде. С помощью такого процесса - клонирования - очищены сегментов ДНК более 100 различных генов человека. Ещё большее число генов выделено из простейших организмов, таких, как дрожжи.
В 1997 г. появилось сообщение о выращенной методом клонирования овце. Шотландский ученый Ян Вильмут и его коллеги получили из клетки взрослой овцы её генетическую идентичную копию - известного теперь во всем мире ягненка До ли. Овца Долли, говоря общедоступным языком, не имеет отца- ей дала начало клетка, содержащая двойной набор генов матери. Как известно, любая клетка взрослого организма, так называемая соматическая клетка, несет полный набор наследственного вещества. Половые же клетки имеют только полови-генов. При зачатии такие половинки - отцовская и материнская - соединяются и образуют новый организм. Искусственно выращивание нового животного из соматической клетки - это создание генетически тождественного существа, процесс, которые и называется клонированном. Работы по клонированию растении простейших живых организмов начались ещё в 60-е годы последнего столетия. Росли масштабы и сложность таких работ. о клонирование млекопитающих из соматической клетки впервые удалось осуществить только в 1997 г. Подобные опыты дли мечтой нескольких поколений генетиков. Некоторые ученые уверены в реальной возможности повторить данный эксперимент и для человека. Однако остается предметом дискуссий вопрос о нравственных, социальных, биологических и других следствиях такого рода экспериментов.
3. Экспериментальные измерения
Любому материальному объекту присущи вполне определенные свойства, большинство из которых характеризуется численным величинами. Например, для куска медного провода можно определить следующие величины: диаметр, длину, массу, электропроводность, температурный коэффициент расширения, электрическое сопротивление и др. Некоторые свойства объектов явления природы труднее поддаются количественному описанию. К ним можно отнести, например, цвет, блеск, способность противостоять многократным изгибам. Однако даже в таких случаях необходимо определить соответствующие данным свойствам количественные характеристики, без знания которых невозможно описать объект для достаточно точного его воспроизведения.
Для определения численной характеристики какого-либо свойства выбранного объекта необходимо знать, во сколько раз искомая характеристика больше или меньше другого объекта, принятого за эталон. Операция сравнения определяемой величин для исследуемого объекта с соответствующей величиной эталон называется измерением. Например, за единицу длины принят метр. В результате измерения некоторой длины отрезка определяется, сколько метров в нем содержится. В основе этих измерений лежит метр эталона - расстояние между штрихами, нанесенными на стержне из особого стойкого сплава. Точно так ж при измерении массы некоторого тела устанавливается, в сколько раз измеряемая масса превосходит массу эталонного образца в один килограмм. Разумеется, очень редко пользуются сравнением измеряемых величин с величинами эталонов, хранящихся в государственных метрологических учреждениях в основном пользуются различного рода измерительными устройствами и приборами, тем или иным способом сверенными эталонами. Это относится в одинаковой мере как к устройства и приборам для измерения длины (различные линейки, микрометр, измерительный микроскоп и т. п. ), так и к многообразным измерителям времени, массы и к электроизмерительным, оптическим и многим другим приборам.
Принято различать два вида экспериментальных измерений - прямые и косвенные. При прямом измерении определяемая величина сравнивается с единицей измерения непосредственно при помощи измерительного прибора. Измерение длины рулеткой либо штангенциркулем, измерение промежутков времени секундомером, измерение силы тока амперметром и т. п. - все это примеры прямых измерений, при которых измеряемая величина отсчитывается непосредственно по шкале прибора.
При косвенном измерении определяемая величина вычисляется по формуле, включающей результаты прямых измерений. К косвенным измерениям относятся, например, определение площади прямоугольника по измеренным двум его сторонам, определение сопротивления участка цепи по силе тока и напряжению, определение концентрации примесей по интенсивности ее спектральных линий и т. п.
Независимо от способа измерений определение той или иной физической величины сопровождается ошибкой, показывающей, насколько искомая величина отличается от ее истинного значения.
Ошибки измерений
Никакое измерение не может быть выполнено абсолютно точно. Другими словами, при измерении какой-либо величины любым способом абсолютное значение ее недостижимо, а это означает, что результат измерения содержит некоторую погрешность - ошибку измерений. Такой вывод следует из одного из критериев теории естественнонаучного познания действительности - любое научное знание относительно. Ограниченные возможности измерительных приборов, несовершенство органов чувств, неоднородность измерительных объектов, внешние и внутренние факторы, влияющие на объекты и т. п. - вот основные причины недостижимости абсолютного значения измеряемой величины.
Точность измерений возрастает по мере увеличения чувствительности измерительного прибора. Однако при измерении сколь угодно чувствительным прибором нельзя сделать ошибку измерений меньше ошибки измерительного прибора даже при многократном повторении измерений. Например, если линейка позволяет измерить длину с относительной ошибкой 0, 1%, что соответствует 1 мм на метровой линейке, то, применяя ее для измерения длины любых объектов, нельзя определить длину с ошибкой, меньшей 0, 1%. Абсолютное значение является идеальным, недостижимым на практике. Чем точнее поставлен эксперимент, чем совершеннее измерительная техника и т. п тем ближе измеряемая величина к абсолютной. Одна из важны целей экспериментатора - приблизить получаемые экспериментальные данные к их абсолютным величинам.
По отношению к истинному значению различают абсолютную и относительную ошибки измерений. С учетом причин, по рождающих ошибки, обычно выделяют систематические, случайные и приборные ошибки. При такой классификации н учитываются грубые ошибки, вызванные невниманием при снятии показаний приборов, неправильной записью измеряемы данных, ошибками при вычислениях и т. п. Такие ошибки н подчиняются какому-либо закону и устраняются при промежуточной оценке результатов измерений.
Систематические ошибки обусловливаются факторами, действующими одинаково при многократном повторении измерений. Возникают они чаще всего при неисправности измерительных приборов, неточности метода измерений и при использовании для расчетов неточных данных.
Если, например, стрелка амперметра изогнута или смещен “нуль” прибора, то при измерении таким прибором всегда получится ошибочная величина. Сколько бы раз ни проводились измерения, как бы тщательно ни записывались показания прибора, в измерениях всегда будет одна и та же ошибка. Для устранения систематической ошибки, вызванной неисправность к прибора, необходимо ввести соответствующие поправки, полученные при сравнении показания неисправного прибора с заведомо исправным.
Систематическая ошибка всегда смещает результат измерений в одну и ту же сторону, а часто и на одну и ту же величину Следовательно, даже полное совпадение ряда измеренных величин не является условием отсутствия систематической ошибка - ее нельзя выявить при повторных измерениях.
Сущность систематических ошибок, обусловленных методом измерений, можно пояснить на примере определения электрического сопротивления, при котором возникает систематическая ошибка, вызванная электрическим сопротивлением соединительных проводов в цепи измерительной схемы. Для устранения ее нужно ввести поправки на неучтенное сопротивление.
Иногда для устранения систематических ошибок требуется тщательная проверка всех измерительных приборов и кропотливый анализ метода измерений.
Случайные ошибки вызываются факторами, действующими неодинаковым, непредсказуемым образом в каждом отдельном измерении. Они возникают при совокупном действии многих факторов и остаются при устранении грубых и систематических ошибок. Можно назвать многочисленные объективные и субъективные причины случайных ошибок: изменение напряжения в сети при электрических измерениях, неоднородность вещества при определении плотности, изменение условий окружающей среды (температуры, давления), возбужденное состояние производящего измерения и др. Подобные причины приводят к тому, что несколько измерений одной и той же величины дают различные результаты. К случайным ошибкам, кроме того, следует отнести все те ошибки, многочисленные причины которых неизвестны или неясны.
Вследствие непредсказуемых обстоятельств случайные ошибки могут как увеличивать, так и уменьшать значения измеряемой величины. Обычно случайные ошибки не устраняются - их нельзя избежать в каждом из результатов измерений.
Случайные ошибки подчиняются законам теории вероятностей, установленным для случайных явлений. С помощью методов теории вероятностей можно уменьшить влияние случайных ошибок на результат эксперимента. Широко известен нормальный закон распределения случайных ошибок (закон Гаусса), из которого следуют важные выводы:
* • малые по модулю ошибки встречаются чаще;
* • равные по модулю случайные ошибки разных знаков встречаются одинаково часто;
* • с возрастанием точности (уменьшением интервала разброса измеренных значений) плотность случайных ошибок возрастет.
Теория случайных ошибок позволяет определить наиболее вероятные значения измеряемых величин и возможные отклонения от них. Однако следует отметить, что выводы теории вероятностей справедливы только для достаточно большого числа случайных событий. Поэтому, строго говоря, применение теории случайных ошибок целесообразно только к сравнительно большому числу измерений. На практике же часто ограничиваются 5-10 измерениями, хотя следует помнить, что увеличен числа измерений уменьшает влияние случайных ошибок. В каждом конкретном случае устанавливается необходимое число измерений для получения заданной точности.
Приборные ошибки обусловливаются конструктивными особенностями измерительных приборов. Приборную ошибку иногда называют точностью измерительного прибора. По величине ошибок, которые могут вносить при измерении электроизмерительные приборы, различают семь классов точности приборов, которые обозначаются цифрами: 0, 1; 0, 2; 0, 5; 1, 0; 1 2, 5; 4, 0. Цифра класса точности показывает величину относ тельной ошибки в процентах при отклонении стрелки прибора последнего деления шкалы. Абсолютная ошибка прибора при любом отклонении стрелки одинакова. Поэтому при меньших отклонениях стрелки относительная ошибка больше. Например если у прибора класса точности 0, 5 вся шкала содержит 150 делений, то относительная ошибка при отклонении на все 150 делений составляет 0, 5%, а абсолютная ошибка равна 0, 75 деления. При отклонении стрелки на 25 делений абсолютная ошибка та же - 0, 75 деления, а относительная ошибка - 3%. Д получения возможно меньших относительных ошибок при по:
Пользовании измерительными приборами нужно добиваться достаточно большого отклонения стрелки, не меньше, чем на половину шкалы. Для этого нужно выбирать прибор с достаточной чувствительностью или переходить к меньшим пределам измерений многопредельного прибора.
Измерительные приборы
Большинство приборов, предназначенных для измерения разных физических величин, содержит линейные, угловые или круговые шкалы. Показание того или иного прибора соответствует длине отрезков прямой или дуги. Чем больше точность прибора, тем больше должно быть число делений, на которые разбита шкала. Для одной и той же шкалы с увеличением числа делений расстояние между штрихами уменьшается.
В некоторых приборах для повышения точности измерений применяются различные приспособления, позволяющие отсчитывать доли деления шкалы. Наиболее широко распространены нониусы и микрометрические винты, они обычно применяются в приборах для измерения длины или угла, в которых части прибора перемещаются относительно друг друга. На одной из частей наносится основная шкала, а на другой - нониус, представляющий собой небольшую дополнительную шкалу, передвигающуюся при измерении вдоль основной шкалы. Удобство отсчета с применением нониуса заключается в том, что человеческий глаз легко различает, является ли один штрих продолжением другого или они сдвинуты друг относительно друга.
Иногда для отсчета долей деления применяется специальный циферблат, указатель которого связан с перемещением измерительного устройства механической передачей. В оптических приборах современных конструкций наносятся микроскопические цифры около каждого штриха шкалы, и показание отсчетов снимается при помощи отсчетного микроскопа, в поле зрения которого видна только одна необходимая цифра и дополнительная шкала для отсчета долей деления.
Для измерения электрических величин применяются электроизмерительные приборы. Принцип действия их основан на превращении электрической энергии в другие виды энергии, например, механическую, тепловую, магнитную и тд. Каждый электрический прибор состоит принципиально из двух частей: электрического и отсчетного механизмов. Отсчетный механизм большинства приборов содержит шкалу и указатель. Указатель определяет точку шкалы, соответствующую отсчету измеренной величины. Обычно указатель представляет собой тонкую стрелку или световое пятно. В современных электроизмерительных приборах отсчетным устройством служит электронное табло с цифровой индикацией, очень удобной при снятии показаний прибора.
Электроизмерительные приборы широко применяются и для измерения неэлектрических величин: температуры, давления, скорости движения, освещенности и т. п. Принцип действия таких приборов основан на связи между электрическими и другими физическими явлениями. Такая связь обусловливает возникновение термотоков, фототоков, электромагнитной индукции и т. п.
В измерительной практике часто встречаются косвенные измерения, в основу которых положены законы или закономерности, устанавливающие зависимость между различными физическими величинами. Например, электрическое сопротивление проводника можно определить, измерив падение напряжения на нем и силу тока.
Электрические измерения можно производить двумя способами:
1) сравнением измеряемой величины с ее соответствующими эталонами э. д. с. , сопротивления, емкости, индуктивности и т. п. ;
2) с помощью приборов, показывающих численные значения измеряемой величины.
По своему назначению основные электроизмерительные приборы можно классифицировать следующим образом:
* • амперметры и миллиамперметры - измерители силы тока:
* • вольтметры и милливольтметры - измерители напряжения;
* • ваттметры - приборы для измерения электрической мощности;
* • счетчики электрической энергии - приборы для измерения электрической энергии;
* • омметры - приборы для измерения электрического сопротивления;
* • частотомеры - приборы для измерения частоты переменного тока;
* • приборы для измерения емкости и т. п.
По принципу действия электроизмерительные приборы подразделяются на магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, тепловые, индукционные, электронные и другие системы.
Одна из основных характеристик электроизмерительного прибора - чувствительность, определяемая отношением линейного или углового перемещения указателя к изменению измеряемой величины про отклонении на одно деление. 3)
III. Заключение
О единстве теоретической и экспериментальной деятельности
Единство теоретической и экспериментальной деятельности реализуется в общественном процессе познания, в интеграции специализированных видов деятельности. Экспериментальная деятельность всегда включает теоретическую, а теоретическая деятельность должна учитывать результаты экспериментов и наблюдений. Понимание диалектики познания заставляет нас выступать как против плоского эмпиризма, так и против преувеличенного умозрения, в котором отсутствует разумная научная постановка вопросов, основанная на обобщении результатов эксперимента. Ученые отвергают обе эти крайности. Так, часто подчеркивается, что нет ничего практичнее хорошей теории. Однако можно отметить также и то, что плохая теория исчезает, а удавшийся эксперимент остается. Он служит основанием все новых и новых попыток интерпретации. Хорошая теория подтверждается данными эксперимента и может использоваться на практике. Вопрос о том, должны ли в определенной области науки в какой-либо стране предприниматься усилия специально либо в экспериментальной, либо в теоретической области, нельзя решить только на основании теоретико-познавательных соображений. Для этого необходим анализ состояния развития науки, общественных потребностей и возможностей использования материальных и духовных потенций. Вместе с тем существует целый ряд проблем теорий познания, исследование которых должно продолжаться с учетом реализации в общественном процессе познания, а также в мышлении экспериментаторов и теоретиков единства экспериментальной и теоретической деятельности. Укажем здесь лишь на три проблемы: проблему сбора и анализа информации, ее упрощения и соотношения материализации и построения теорий.
Экспериментальная деятельность и наблюдения дают множество данных. С помощью электронно-вычислительной техники производится их накопление. Их анализ предполагает, что речь идет о существенных данных, то есть о данных, определяющих характер исследуемых объектов или процессов. Для того чтобы выявить существенные, необходимые теоретические представления, объясняющих на уровне гипотез возможные результаты экспериментов и наблюдений.
Теоретический анализ данных, их объяснение с помощью теории представляет важный шаг в развитии науки, который может привести к последующим целенаправленным экспериментам. Целенаправленный сбор существенных данных предполагает теоретические рассуждения, а недостатки в теории могут очень скоро превратиться в методологически границы для анализа данных.
Интересно, что, исследуя процесс образования структур при необратимых процессах, физика создает типовые физические теории биологической эволюции, в которых старая проблема связей между образованием структур и сохранением энтропии рассматривается в новых аспектах. Таким образом, единство экспериментальной и теоретической деятельности соотносится с историческим процессом, в ходе которого возникают и исчезают объекты и процессы, изменяются механизмы эволюции, а существующие в настоящее время структуры сохраняют следы прошедшего.
К. Фукс выдвинул следующий тезис: “Теория отрасли науки – совокупность знаний о закономерных связях в данной области. Она является общим результатом экспериментальной и теоретической деятельности.”