Эмпирические методы научного познания

Рассматривая конкретные методы научного познания, следует понимать, что умение использовать эти методы всегда предполагает наличие специализированных знаний. Это важно учитывать потому, что любые формы и виды научной деятельности обязательно предполагают соответствующую подготовку тех специалистов, которые ею занимаются. Эмпирические методы познания – в том числе даже самый «простой» из них – наблюдение – для своего проведения предполагает, во-первых, наличие определенных теоретических знаний, а, во-вторых, использование специального и часто очень сложного оборудования. Кроме этого, проведение любых научных исследований всегда предполагает наличие определенной проблемной ситуации, в целях разрешения которой и проводятся эти исследования. Поэтому эмпирические методы научного познания – это совсем не то же самое, что и относительно похожие способы изучения реальности, которые проводятся с точки зрения здравого смысла и в рамках обыденно-практической установки.

К эмпирическим методам научного познания относятся:

1. Наблюдение;

2. Эксперимент;

3. Измерение.

Среди названных методов научного познания наблюдения является относительно самым простым методом, так как, например, измерение, предполагая проведение дополнительных процедур, в качестве своей основы обязательно предполагает и соответствующее наблюдение.

Наблюдение

Научное наблюдение – это целенаправленное восприятие предметов, явлений и процессов, как правило, окружающего мира. Отличительная особенность именно наблюдения состоит в том, что это метод пассивной регистрации тех или иных фактов действительности. Среди видов научных наблюдений можно выделить следующие:

- в зависимости от цели наблюдения можно разделить на проверочные и поисковые;

- по характеру существования того, что исследуется, наблюдения можно разделить на наблюдения предметов, явлений и процессов, которые существуют объективно, т.е. вне сознания наблюдателя, и интроспекцию, т.е. самонаблюдение;

- наблюдение объективно существующих предметов принято делить на непосредственные и косвенные наблюдения.

В рамках разных наук роль и место метода наблюдения разная. В некоторых науках наблюдение – это практически единственный способ получения исходных достоверных данных. В частности, в астрономии. Хотя эта наука по существу является прикладным разделом физики и поэтому она основывается на теоретических представлениях этой фундаментальной естественной науки, однако многие данные, которые актуальны именно для астрономии, могут быть получены только посредством наблюдения. Например, знания об объектах, которые расположены на расстоянии нескольких световых лет. Для социологии наблюдение – это также один из основных методов эмпирического научного познания.

Научное наблюдение для своего успешного проведения предполагает наличие проблемной ситуации, а также соответствующего концептуально-теоретического обеспечения. В основе научного наблюдения, как правило, лежит какая-либо гипотеза или теория, для подтверждения или опровержения которой и проводится соответствующее наблюдение. Роль и место концептуальных факторов в научном наблюдении, а также специфику их конкретных видов можно показать с помощью следующих примеров.

Как известно, люди наблюдали движение объектов на небе с незапамятных времен и в результате этого пришли к вполне естественному в рамках здравого смысла выводу о том, что Земля с находящимися на ней наблюдателями стоит неподвижно, а вокруг нее по правильным круговым орбитам равномерно двигаются планеты. Для того чтобы объяснить, почему эти планеты не падают на Землю, а парят в пространстве, было высказано предположение, что Земля находится внутри нескольких прозрачных стеклоподобных сфер, в которые как бы вкраплены планеты и звезды. Вращение этих сфер вокруг своей оси, которая совпадает с центром нашей планеты, приводит к тому, что поверхность сфер начинает двигаться, увлекая за собой прочно закрепленные на ней планеты.

Хотя это представление является совершенно неверным, однако оно вполне согласуется с соответствующей логикой здравого смысла, согласно которой для того, чтобы тело постоянно двигалось и никогда не падало, оно должно за что-либо держаться (в данном случае, быть прикрепленным к прозрачным сферам). Представление о том, что возможно постоянное движение тела по замкнутой траектории без того, чтобы его кто-либо поддерживал, для мышления в рамках здравого смысла соответствующей эпохи кажется невероятным. Следует заметить, что, по своему, здравый смысл «прав»: дело в том, что, действительно, в рамках естественного, обыденного и дотеоретического восприятия движения тел на Земле мы не видим ничего, чтобы могло бы все время перемещаться по замкнутой траектории, паря и не касаясь чего-либо, и при этом не падать. Ньютон, который открыл закон всемирного тяготения, естественно тоже наблюдал движение различных земных и космических тел, в том числе, и Луны. Однако он не просто смотрел на них, но использовал наблюдения для того, чтобы на их основе понять то, что увидеть нельзя. А именно: сопоставив данные скорости движения Луны вокруг Земли и их расстояния между собой с характеристиками движения падающих на Землю тел, он пришел к выводу, что за всем этим скрыта единая и общая закономерность, которая и получила название «закона тяготения».

Данный пример можно рассматривать как случай поискового наблюдения, результатом которого стала формулировка соответствующего закона. Целью поискового наблюдения является сбор фактов как первичного эмпирического материала, на основе анализа которого может быть выделено общее и существенное. Проверочное наблюдение отличается от поискового тем, что здесь конечной целью является не поиск нового теоретического знания, а проверка уже существующего. Проверочное наблюдение – это попытка верификации или опровержения какой-либо гипотезы. Примером такого наблюдения является, допустим, попытка убедиться в том, что закон тяготения носит действительно всемирный характер, т.е. что его действие распространяется на взаимодействие любых массивных тел. Из этого закона, в частности, следует, что чем меньше масса взаимодействующих тел, тем меньше и сила притяжения между ними. Поэтому если мы сможем наблюдать, что сила притяжения у поверхности Луны меньше аналогичной силы у поверхности Земли, которая тяжелее Луны, то из этого следует, что данное наблюдение подтверждает закон тяготения. В ходе полета космонавтов можно наблюдать феномен невесомости, когда люди свободно парят внутри корабля, фактически не притягиваясь ни к одной его стенке. Зная, что масса космического корабля практически ничтожна по сравнению с массой планет, данное наблюдение можно рассматривать как еще одну проверку закона тяготения.

Рассмотренные примеры можно считать случаями непосредственных наблюдений объективно существующих объектов. Непосредственные наблюдения – это такие наблюдения, когда соответствующие объекты можно воспринимать непосредственно, видя их самих, а не только те действия, которые они оказывают на другие объекты. В отличие от непосредственных наблюдений косвенные наблюдения – это такие, когда сам объект исследования вообще не наблюдаем. Однако, несмотря на это в случае косвенного наблюдения все же можно видеть те действия, которые оказывает ненаблюдаемый объект на другие, наблюдаемые предметы. Необычное поведение или состояние наблюдаемых тел, которые нельзя объяснить, если предположить, что в действительности есть только непосредственно наблюдаемые тела и есть исходное условие для косвенного наблюдения. Анализируя особенности необычного поведения видимых объектов и сравнивая его со случаями обычного поведения этих объектов можно сделать определенные выводы о свойствах ненаблюдаемых объектов. Компонент необычности в поведении видимых тел и есть косвенное наблюдение того, что не наблюдаемо непосредственно. Примером косвенных наблюдений будет, допустим, ситуация, связанная с «броуновским движением», а также эмпирическая составляющая знаний о «черных дырах».

Броуновское движение – это постоянное движение мельчайших, но все же с помощью достаточного сильного микроскопа визуально наблюдаемых частиц какого-либо вещества в жидкости. В случае броуновского движения вполне естественен вопрос: какова причина наблюдаемого движения этих частиц? Отвечая на этот вопрос можно предположить, что есть и другие, невидимые частицы, которые сталкиваются с видимыми и тем самым толкают их. Как известно, причина броуновского движения в том, что визуально ненаблюдаемые с помощью оптического микроскопа объекты – атомы и молекулы – все время сталкиваются с наблюдаемыми частицами, заставляя их двигаться. Таким образом, хотя сами атомы и молекулы в оптическом диапазоне (видимый свет) вообще ненаблюдаемы, однако и до изобретения электронного микроскопа их отдельные свойства можно было наблюдать. Естественно, только косвенно.

Что касается «черных дыр», то их непосредственно наблюдать невозможно в принципе. Дело в том, что сила тяготения, которая действует в них, столь велика, что никакой предмет – в том числе, видимый свет – не может преодолеть притяжение этих объектов. Тем не менее, черные дыры можно наблюдать косвенно. В частности, в связи с характерным изменением картины звездного неба вблизи них (за счет искривления пространства гравитационными силами) или в том случае, когда черная дыра и самосветящийся объект (звезда) составляют единую систему, которая по законам механики вращается вокруг общего центра масс. В последнем случае необычное движение звезды по замкнутой траектории (ведь непосредственно наблюдаема только она) и будет случаем косвенного наблюдения черной дыры.

Интроспекция – это наблюдение человека за содержанием собственного сознания. В конце 40-х годов XX в. в США был проведено следующее исследование. Для того чтобы выяснить, возможно ли функционирование сознания в случае паралича тела, испытуемому ввели производное кураре, вещество которое парализует всю мускульную систему человека. Оказалось, что, несмотря на паралич мускулатуры (испытуемый был подключен к аппарату искусственного дыхания, так как самостоятельно дышать он не мог) способность к сознательной деятельности сохранилась. Испытуемый был в состоянии наблюдать за тем, что происходит вокруг него, понимал речь, запоминал события и размышлял о них. Из этого был сделан вывод, что психическая деятельность может осуществляться и при отсутствии какой-либо мышечной активности.

Данные, которые получены в результате наблюдения, могут претендовать на научный статус только в том случае, если будет признана их объективность. Существенным фактором этого является воспроизводимость однажды увиденного другими. Если, например, кто-либо заявит, что он наблюдает нечто, что другие в аналогичных условиях не наблюдают, то это будет достаточным основанием для того, чтобы не признать научный статус данного наблюдения. Если же некоторое «наблюдение» еще и противоречит известным и хорошо установленным закономерностям в области какой-либо сферы знания, то в этом случае со значительной долей уверенности можно сказать, что «наблюдаемого» факта в действительности вообще никогда и не существовало. Видимо, одним из самых широко известных случаев такого псевдонаблюдения можно считать историю с «Лох-Несским чудовищем».

Для придания наблюдению статуса научно значимого знания важным моментом является обоснование того, что наблюдаемый объект, те или иные его свойства существуют объективно, а не являются только результатом воздействия инструментария, который использует наблюдатель. Примером грубой ошибки можно считать случай, когда, допустим, камера фотографирует объект, который в действительности является не удаленным предметом экспонируемой панорамы, а артефактом, который случайно прилип к элементам оптической системы камеры (например, частичка пыли на объективе).

Проблема учета и минимизации влияния субъекта-исследователя на изучаемый объект характерна не только для естествознания, но также и для социальных наук. В частности, в рамках социологии существует понятие «включенного наблюдения», т.е. такого, когда исследователь, который собирает данные о некоторой социальной группе, при этом достаточно долгое время живет рядом или даже в составе этой группы. Последнее делается для того, чтобы те, кто является объектом наблюдения, привыкли к присутствию стороннего наблюдателя, не обращали на не него особого внимания и вели в его присутствии себя так, как они ведут обычно.

Эксперимент

Главное отличие эксперимента от наблюдения состоит в том, что это метод не пассивной регистрации данных, а такой способ познания действительности, где с целью исследования существующих связей и отношений целенаправленно организуется протекание соответствующих процессов и явлений. В ходе проведения эксперимента исследователь сознательно вмешивается в естественный ход событий для того, чтобы выявить хотя и существующую, но часто неочевидную взаимосвязь между изучаемыми явлениями. Эксперимент принято относить к эмпирическим методам познания потому, что здесь, как правило, предполагается манипулирование объективно существующими предметами и процессами материального мира, которые, естественно, можно наблюдать. Однако не в меньшей степени эксперимент связан и с определенными теоретическими представлениями. В основе любого эксперимента всегда лежит определенная гипотеза или теория, для подтверждения или опровержения которых и проводится соответствующий эксперимент.

Среди видов экспериментальных исследований можно выделить следующие:

- с точки зрения цели проведения эксперименты также как и научные наблюдения можно разделить на проверочные и поисковые;

- в зависимости от объективных характеристик предметов, с помощью которых проводятся исследования, эксперименты можно разделить на прямые и модельные;

Эксперимент называется прямым, когда объектом изучения является реально существующий предмет или процесс, и модельным, когда вместо самого предмета используется его, как правило, уменьшенная модель. Особой разновидностью модельных экспериментов является исследования математических моделей тех или иных предметов или процессов. Что касается «мысленных экспериментов» – т.е. таких, где реальное исследование вообще не проводится, а только воображается протекание некоторых процессов и явлений – то последние, строго говоря, не могут быть отнесены к области эмпирического познания, так как по своей сути они представляют разновидность теоретических исследований. Впрочем, во многих случаях на основании мысленного эксперимента может быть проведено и реальное опытное исследование, которое можно рассматривать как материализацию соответствующих теоретических представлений.

Для того чтобы понять роль эксперимента как метода научного познания необходимо себе представлять, что та действительность с которой имеет дело исследователь, изначально предстает перед ним не как строго и систематически организованная цепь отношений и причинно-следственных связей, а лишь как лишь более или менее упорядоченное целое, в рамках которого роль и влияние тех или иных факторов часто не вполне очевидна. Поэтому предварительным условием проведения эксперимента является формулировка гипотезы о том, как именно изучаемые факторы могут быть связаны между собой, а для того, чтобы эту предполагаемую взаимосвязь проверить, необходимо создать условия, чтобы исключить влияние других, относительно случайных и несущественных факторов, действие которых может скрывать или нарушать протекание исследуемых отношений. Например, на основе обыденного восприятия окружающего мира можно заметить, что более тяжелое тело падает на поверхность Земли быстрее, чем более легкое. Так происходит потому, что воздух атмосферы препятствует движению тел. Не зная этого, на основе одного только опыта обыденного наблюдения, предварительно обобщив его, можно прийти к «открытию» не существующей на самом деле зависимости: утверждению о том, скорость падения тела всегда зависит от их массы. В действительности такой связи как постоянной зависимости нет, так как массу Земли можно считать бесконечно большой величиной по сравнению с массой любого предмета, который мы в состоянии сбросить на нее. В силу этого скорость падения любого сбрасываемого тела зависит только от массы Земли. Но как это доказать? Галилей, с именем которого принято связывать начало применения эксперимента как метода научного познания, сделал это следующим образом. Он сбросил с высоты 60 м. (Пизанская башня) одновременно два предмета: мушкетную пулю (200 гр.) и пушечное ядро (80 кг.). Так как оба предмета упали на Землю одновременно, Галилей сделал вывод, что гипотеза о том, что скорость падения тела всегда связана с его массой, неверна.

Опыт Галилея – это пример прямого эксперимента с целью проверки (опровержения) неверной теории, согласно которой скорость падения всегда зависит от массы падающего тела. Несколько изменив исходные условия в опыте Галилея нетрудно организовать проведение такого эксперимента, результаты которого можно интерпретировать в качестве подтверждения теории тяготения. Например, если взять достаточно большую камеру, из которой предварительно был откачен весь воздух, и поместить туда неплотный комок ваты и свинцовый шарик, а затем заставить их падать внутри этой камеры, то в результате можно увидеть, что шарик и комок, имея существенно разные параметры массы, площади поверхности и плотности, тем не менее, в разряженной среде (в отсутствии воздуха) упадут одновременно. Этот факт и можно интерпретировать как подтверждение теории тяготения.

Следует заметить, что далеко не во всех случаях у ученых есть хорошее теоретическое обоснование для экспериментальных исследований. Особенность поисковых экспериментов связана с тем, что они проводятся, чтобы собрать необходимую эмпирическую информацию для построения или уточнения некоторого предположения или догадки. Наглядным примером такого типа исследований могут служить опыты Бенджамина Румфорда по изучению природы тепловых явлений. До создания молекулярно-кинетической теории теплоту считали своего рода материальной субстанцией. В частности, полагали, что нагревание тела связано с добавлением к нему этой субстанции, которую называли теплородом. Специалистам по обработке металла резанием во времена Румфорда было хорошо известно, что при сверлении металла образуется большое количество теплоты. Этот факт в рамках теории теплорода пытались объяснить тем, что при обработке металла теплород отделяется от него и переходит в металлическую стружку, которая образуется в результате сверления. Хотя такое объяснение и выглядит малоубедительным, однако ничего лучшего в тот период предложить не могли.

Румфорд естественно знал о факте сильного тепловыделения при сверлении, однако для того, чтобы его объяснить он проделал следующий эксперимент. Он взял специально затупленное сверло и с его помощью проделал отверстие. В результате выделилось еще больше тепла, чем при действии острым сверлом, но зато было просверлено гораздо меньшее отверстие и образовалось совсем немного опилок. На основании данного эксперимента был сделан вывод: увеличение тепла не связано с образованием опилок, в которые, как считалось, переходит субстанция теплорода. Причина тепла – это не высвобождение и переход особой материальной субстанции теплорода, а движение. Таким образом, эксперимент, проделанный Румфордом, способствовал пониманию того, что тепло – это характеристика определенного состояния вещества, а не что-то добавленное к нему.

Далеко не во всех случаях эксперимент является прямым взаимодействием с изучаемым объектом. Очень часто гораздо экономнее проводить исследование на уменьшенных моделях этих объектов. В частности, примерами таких исследований являются опыты по определению аэродинамических характеристик планера (корпуса) самолета или исследования величины сопротивления воды, которое существует при данных формах корпуса судна. Очевидно, что проведение таких исследований на моделях, соответственно, в аэродинамической трубе или в бассейне гораздо дешевле, чем эксперименты с реальными объектами. При этом, надо понимать, что уменьшенная модель – это не точная копия изучаемого объекта, так как физические эффекты, возникающие при обдуве или движений модели, не только количественно, но и качественно не тождественны тем, которые имеют место в случае полноразмерных объектов. Поэтому для того, чтобы полученные на модельных экспериментах данные могли быть использованы при проектировании полноразмерных объектов, они должны быть пересчитаны с учетом специальных коэффициентов.

В связи с распространением в настоящее время ЭВМ все более широкое распространение получают эксперименты с математическими моделями исследуемых объектов. Предпосылкой математического моделирования является квантификация каких-либо существенных свойств исследуемых объектов и тех закономерностей, которым подчиняются эти объекты. Исходные параметры математической модели – это свойства реально существующих объектов и систем, которые переведены в числовую форму. Процесс математического моделирования – это вычисление тех изменений, которые произойдут с моделью в случае изменения исходных параметров. В силу того, что таких параметров может быть очень много, для их расчета требуется большая затрата сил. Применение ЭВМ позволяет автоматизировать и существенно ускорить процесс соответствующих расчетов. Очевидными достоинствами математического моделирования является возможность получения (за счет обработки большого числа параметров) быстрого расчета возможных сценариев развития моделируемых процессов. Дополнительным эффектом такого вида моделирования является значительная экономия средств, а также минимизация других издержек. Например, проведение расчетов особенностей протекания ядерных реакций с помощью ЭВМ позволили отказаться от реальных испытаний ядерного оружия.

Наглядным и самым известным примером мысленного эксперимента является «корабль Галилея». Во времена Галилея полагали, что покой носит абсолютный характер, а движение – это лишь временный процесс перехода от одного состояния к другому под действием какой-либо силы. Стремясь опровергнуть это утверждение, Галилей представил себе следующее. Пусть человек, который находится в закрытом трюме равномерно движущегося корабля и поэтому ничего не знает о том, что происходит вне трюма, попытается ответить на вопрос: стоит ли корабль на месте или плывет? Размышляя над этим вопросом, Галилей пришел к выводу, что у находящегося в трюме при данных условиях нет никакого способа, для того чтобы узнать правильный ответ. А из этого следует, что равномерное движение неотличимо от покоя и, следовательно, нельзя утверждать, что покой – это естественное, как бы первичное, и поэтому соответствующее абсолютной системе отсчета состояние, а движение – это лишь момент покоя, нечто такое, что всегда сопровождается действием какой-либо силы.

Естественно, мысленный эксперимент Галилея нетрудно реализовать и в натурном исполнении.

Экспериментальные исследования могут проводиться не только в естественных, но и в социально-гуманитарных наука.. Например, в психологии, где на основе экспериментов получены данные, которые используются для обоснования предположений, которые, на первый взгляд, достаточно сложно верифицировать. В частности, до всяких специализированных исследований, на уровне обыденного восприятия взрослому человеку хорошо известно, что его психика отличается от психики ребенка.

Вопрос в том, насколько именно она отличается? Если, допустим, характеризуя уровень психического развития взрослого, используют такие понятия, как «личность» и «самосознание», то можно ли и в каком смысле использовать их для характеристики уровня психического развития ребенка? В каком возрасте, например, у человека уже есть самосознания, а когда его еще нет? На первый взгляд, здесь достаточно сложно сказать что-то определенное. Тем более что и сами эти понятия не являются такими, которые определены строго и однозначно.

Несмотря на эти трудности, психолог Жан Пиаже в своих работах достаточно убедительно показал, что маленький ребенок гораздо в меньшей степени способен к осознанному контролю собственных психических процессов, нежели взрослый. В результате ряда исследований Пиаже пришел к выводу, что дети в возрасте 7-8 лет практически не способны к интроспекции (без которой говорить о самосознании в том смысле, в каком им обладают взрослые люди, вряд ли возможно). Эта способность, по его мнению, постепенно формируется в возрастном промежутке между 7-8 и 11-12 годами. Такие выводы Пиаже сделал на основе ряда экспериментов, содержание которых сводилось к тому, что сначала детям предлагали несложную арифметическую задачу (с которой большинство детей может справиться), а затем просил их объяснить, как именно они пришли к соответствующему решению. По мнению Пиаже, наличие интроспективной способности можно признать существующей, если ребенок может провести ретроспекцию, т.е. способен правильно воспроизвести процесс собственного решения. Если он это сделать не может и пытается объяснить решение, отталкиваясь, например, от полученного результата, как если бы он знал его наперед, то это означает, что ребёнок не обладает интроспективной способностью в том смысле, как это присуще взрослым.

В рамках экономической науки тоже, вероятно, можно осмысленно говорить об экспериментальных исследованиях. В частности, если существует некоторая налоговая ставка, в соответствии с которой осуществляются платежи, но при этом часть налогоплательщиков стремиться занизить или скрыть свои доходы, то в рамках описываемой ситуации могут быть предприняты действия, которые можно назвать экспериментальными. Допустим, зная описываемое положение дел, соответствующие правительственные органы могут принять решение об уменьшении ставки налогового обложения, предполагая, что при новых условиях значительной части налогоплательщиков будет выгоднее платить налоги, нежели уклоняться от них, рискуя получить штрафы и другие санкции.

После введения новых ставок налогообложения необходимо сравнить уровень собираемых налогов с тем, который существовал при прежних ставках. Если окажется, что количество налогоплательщиков возросло, так как некоторые при новых условиях согласились выйти «из тени», и общее количество сборов тоже увеличилось, то полученная информация может быть использована для совершенствования работы налоговых органов. Если же окажется, что никаких изменений в поведении налогоплательщиков не произошло и общее количество собранных налогов упало, то эта информация также может быть использована в работе соответствующих органов, мотивируя их, естественно, к поиску каких-то других решений.

Измерение

Измерение – это нахождение отношение между некоторой величиной и другой, которая принята за единицу измерения. Результат измерения выражается, как правило, некоторым числом, благодаря чему становится возможным подвергнуть полученные результаты математической обработке. Измерение – это важный метод научного познания, так как посредством его можно получить точные количественные данные о величине и интенсивности и на основании этого даже иногда сделать предположения о природе соответствующих процессов или явлений.

Изменение как способ определения величины и интенсивности встречается уже на уровне обыденного восприятия мира. В частности, как субъективное переживание «равенства», «большей» или «меньшей» величины какого-либо явления или процесса по сравнению с другими случаями его проявления. Например, свет может восприниматься как более или менее яркий, а температура оцениваться по таким ощущениям, как «холодно», «очень холодно», «тепло», «жарко», «горячо» и т.п. Очевидным недостатком такого способа определения интенсивности является его субъективность и приблизительность. Впрочем, для уровня обыденного восприятия мира такой «шкалы» может быть достаточно, однако в рамках научного познания подобная приблизительность – это серьезная проблема. Причем настолько, что отсутствие способов и практики точных измерений может даже выступать в качестве одного из серьезных факторов, которые сдерживают научное и техническое развитие.

Понять значимость точных измерений можно, если, допустим, представить себе те задачи, которые должны решить конструкторы и технологи при создании сложного технического устройства (например, двигателя внутреннего сгорания). Для того, чтобы этот двигатель работал и при этом еще имел достаточно высокий КПД, необходимо, чтобы его детали – в частности, поршни и цилиндры – были сделаны с высокой точностью. Причем настолько, что зазор между стенками цилиндра и диаметром поршня должен быть в пределах только десятых долей миллиметра. В свою очередь, для того, чтобы изготовить эти детали двигателя, нужны станки, которые способны обрабатывать металл с такой высокой точностью. Если такой или приближающейся к ней точности при данном техническом оснащении достигнуть нельзя, то двигатель либо вообще не будет работать, либо его КПД будет столь низким, что его использование будет экономически нецелесообразно. То же самое можно сказать и в отношении любых других сколько-нибудь сложных технических устройств.

Квантификация отношений между теми или иными явлениями, которая достигается за счет их выражения в точной количественной форме (последнее находит свое проявление в строгой формулировке соответствующих законов природы посредством использования математических формул) – это не просто своеобразная форма записи данных, а особый способ выражения знания, имеющий при этом совершенно определенное эвристическое значение. В частности, выражение в такой форме широко известного закона всемирного тяготения, согласно которому между любыми двумя телами действует сила притяжения, пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними, ценно не просто как «точное знание», которое может быть представлено в виде компактной формулы . Эвристическая ценность этой и других формул состоит в том, что используя такую форму представления знаний, можно выполнить точный расчет для конкретной ситуации, подставив в формулу определенные значения. На основании соответствующих расчетов можно создать, допустим, самолет или ракету, которые смогут подняться в воздух и не упасть, вылететь за пределы земного притяжения и достигнуть запланированной цели.

Что касается конкретных объектов изменения, то для естественных наук огромное значение имеет умение, прежде всего, определить численные характеристики пространства и времени: величину, расстояние между объектами и длительность соответствующих процессов.

Измерить расстояние между двумя объектами – значит сравнить его с эталоном. До недавнего времени в качестве эталона использовалось тело, сделанное из твердого сплава, форма которого слабо изменялось при изменении внешних условий. В качестве единицы длины был выбран метр – отрезок, сравнимый с размерами человеческого тела. В большинстве случаев этот эталон не укладывается целое число раз на длине измеряемого отрезка. Поэтому оставшаяся длина измеряется при помощи 1/10, 1/100, 1/1000 и т.д. частей эталона. На практике многократное деление исходного эталона невозможно. Поэтому для повышения точности измерения и измерения малых отрезков потребовался эталон существенно меньших размеров, в качестве которого в настоящее время используются стоячие электромагнитные волны оптического диапазона.

В природе существуют объекты, значительно меньшие по размерам длин волн оптического диапазона – это многие молекулы, атомы, элементарные частицы. При их измерении возникает принципиальная проблема: объекты, размеры которых меньше длины волны видимого излучения, перестают отражать свет по законам геометрической оптики и, следовательно, перестают восприниматься в форме привычных зрительных образов. Для оценки размеров таких мелких объектов свет заменяют потоком каких-либо элементарных частиц. В этом случае величина объектов оценивается по так называемым сечениям рассеяния, определяемым отношением числа частиц, изменивших направление своего движения, к плотности падающего потока. Наименьшим расстоянием, известным в настоящее время, является характерный размер элементарной частицы: 10^{-15 м. Говорить о меньших размерах бессмысленно.}

При измерении расстояний, значительно превышающих 1 м, пользоваться соответствующим эталоном длины тоже оказывается неудобным. Для измерения расстояний, сравнимых с размерами Земли, применяют методы триангуляции и радиолокации. Метод триангуляции состоит в том, что, зная величины одной стороны треугольника и двух прилегающих к ней углов, можно рассчитать величины двух других сторон. Суть метода радиолокации состоит в измерении времени задержки отраженного сигнала, скорость распространения и время отправления которого известны. Однако для очень больших расстояний, например, для измерения расстояний до других галактик, указанные методы оказываются неприменимыми, так как отраженный сигнал оказывается слишком слабым, а углы, под которыми виден объект, оказываются практически неизмеримыми. На очень больших расстояниях наблюдаемыми оказываются только самосветящиеся объекты (звезды и их скопления). Расстояние до них оценивается исходя из наблюдаемой яркости. В настоящее время наблюдаемая часть Вселенной имеет размеры 10²⁴ м. Говорить о больших размерностях не имеет смысла.

Измерение длительности процесса означает сравнение его с эталоном. В качестве такого эталона удобно выбрать какой-либо периодически повторяющийся процесса, например колебания маятника. За единицу измерения времени выбрали секунду – интервал, примерно равный периоду сокращения сердечной мышцы человека. Для измерения значительно более коротких периодов времени возникла необходимость в новых эталонах. В их роли выступали колебания кристаллической решетки и движение электронов в атоме. Еще меньшие периоды времени можно измерить, если сравнивать их со временем прохождения света через заданный промежуток. Поэтому наименьшим осмысленным интервалом времени является время прохождения света через минимально возможное расстояние.

При помощи маятниковых часов возможно измерение временных интервалов, значительно превосходящих 1 секунду, но и здесь возможности метода не беспредельны. Периоды времени, сравниваемые с возрастом Земли (10¹⁷ сек.) обычно оцениваются по полураспаду атомов радиоактивных элементов. По современным представлениям, максимальный промежуток времени, о котором имеет смысл говорить, является возраст Вселенной, который оценивается периодом 10¹⁸ сек. (для сравнения: человеческая жизнь длится около 10⁹ сек.).

Описанные способы изменений пространства и времени и та точность, которая в этом достигнута, имеют большое теоретическое и практическое значени<